专利名称：一种碳纤维连续石墨化的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种碳纤维连续石墨化的方法及其装置，具体涉及一种采用等离子炬进行碳纤维连续石墨化的工艺及装置。
背景技术：
碳纤维和石墨纤维主要作为先进结构复合材料最重要的增强材料，在宇宙飞船、航天飞行器、卫星、军工及高档体育用品方面有着广泛的应用。
石墨纤维是由碳纤维在惰性气体的保护下于2000℃-3000℃进行石墨化而制得的，通过石墨化可以大幅度提高碳纤维的拉伸模量。目前高性能石墨纤维的工业化生产并形成系列产品的国家是日本和美国。我国石墨纤维尚处于研制阶段，水平与国外相比差距很大。
影响碳纤维石墨化的关键因素是高温设备和高温热处理技术工艺。其中高温设备石墨化炉尤为关键，超高的温度和稳定的温度分布是制备高性能石墨纤维的基础。
利用等离子体技术进行碳纤维石墨化是一项新的研究领域，等离子体是大量带电粒子组成的非凝聚系统，是气体在加热或强电磁场作用下电离而产生的，主要由电子、正负离子、原子、分子、活性自由基以及射线等组成。
目前，已报道利用等离子体技术进行石墨化研究的有日本村井(特许公报昭59-38323)发明的利用高温热等离子体进行碳纤维连续石墨化热处理的装置，该装置利用高频振荡发生器在高频电场下进行放电，在惰性气体氦气和氮气的存在下，产生高频加热等离子源，通过调整电流和混合气体的流量来获得适合碳纤维石墨化的温度和温度分布，整个石墨化装置置于一密闭的真空容器内，通过真空泵进行真空置换，连续排除废气并注入惰性气体氦气和氮气，密闭容器内的碳纤维在3000℃左右的高温下连续石墨化处理而形成石墨纤维。
利用直流电弧等离子体也可进行碳纤维的连续石墨化，(CN1399017A，CN1399016A)。该装置利用惰性气体氩气作为工作介质，并在0.3-0.5Mpa的压力下向两个电极之间施加30～200A的直流电，通过放电产生连续高温电弧等离子体，将碳纤维通过等离子体2500℃-3500℃的局部区域高温区而进行石墨化。
利用微波等离子技术和电磁辐射进行碳纤维碳化和石墨化的技术(US6372192B1)是利用频率为2.45GHz，功率为6KW的微波发生器，由微波放电产生等离子体，其等离子体为非平衡态，气态原子在室温，而电子具有非常高的温度，并具有足够的能量而使纤维发生石墨化。在此装置中，碳纤维被置于真空石英管内放在等离子体和电磁辐射场内，通过等离子体与电磁辐射的偶合，使电磁能被纤维利用，导致大量能量作用于纤维上而使碳纤维发生石墨化；然后通过逐步增加电功率来提高碳纤维的碳化和石墨化程度。
比较已报道的利用等离子体技术进行碳纤维石墨化的装置可以发现日本村井发明的热等离子体石墨化装置对真空的要求很高，整个石墨化工艺包括纤维的供丝和收丝装置均在同一真空室中，这样给操作和控制带来不便；直流电弧等离子体石墨化装置利用等离子体电弧对纤维进行加热，但由于纤维从电弧上面横向穿过，造成纤维受热不均匀，影响了石墨化纤维的稳定性；利用微波等离子技术和电磁辐射进行碳纤维碳化和石墨化的技术，由于采用间歇式石墨化，且在真空中进行，很难被工业化生产所利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备简单、能耗低、采用等离子炬进行碳纤维连续石墨化的方法及装置。
本发明以碳纤维为原料进行连续石墨化的方法包括如下步骤碳纤维首先在丙酮溶液中去浆停留时间为1～10分钟；然后在150～350℃下烘干1～5分钟后进入等离子体石墨化装置；纤维在等离子炬中的停留时间为5～120秒，并保持牵伸比为-5～5％，且等离子气体为氩气；石墨化后的纤维采用质量百分比浓度为0.5-2.5％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，停留时间为10～180秒；上浆后的纤维在150～350℃温度下烘干1～5分钟，最后得到石墨纤维。
为了实现本发明的方法，设计了以等离子炬进行碳纤维连续石墨化装置，该装置采用高频感应技术，具体包括高频发生器、感应线圈和等离子炬管，其特征在于等离子炬管是内外两层同心石英玻璃管，外层石英玻璃管比内层石英玻璃管长1-2倍，内层石英玻璃管是一端为柱形，另一端为锥形，在内层石英玻璃管锥形一端有碳纤维丝入口和等离子气进气口，在与内层石英玻璃管锥形同一端的外层石英玻璃管上有冷却气进口，感应线圈位于外层石英玻璃管上，高频发生器与感应线圈相连。
如上所述的高频发生器采用自激式电感偶合，频率为27-50MHz，功率为2-10KW。
如上所述的感应线圈为铜管，圈数为2-4圈。
如上所述的冷却气进口与外层石英玻璃管的连接是切线方向连接。
如上所述的惰性气体氩气要进行净化，控制氩气中的氧含量在2ppm以下，水的露点在-64℃以下。
感应线圈套在等离子炬管上，另一端与高频发生器相连，当高频电流通过感应线圈时，便在有气体的炬管内产生强烈的振荡磁场；等离子炬管由两层同心石英玻璃管组成。其中内层管通入氩气，用于点燃等离子体，外层管通氩气作为冷却气，沿切线方向引入，并螺旋上升，其作用是将等离子体吹离外层石英管的内壁，可保护石英管不被烧毁，同时部分氩气流也参与放电过程。外层管比内层管要长出一倍以上，确保在石英玻璃管内部形成等离子炬，防止碳纤维在石墨化的过程中被氧化。在使用过程中，先用点火器使内层管中的氩气电离，电子和离子随后在高频磁场下被加速，产生碰撞电离，电子和离子急剧增加，此时在气体中感应产生涡流。高频感应电流产生大量的热能又促使气体电离，维持气体的高温，从而产生等离子炬。
从进气口进入的等离子气和进入的冷却气均采用切线进入方式，因此高温气体形成旋转的环流，同时由于高频感应的趋肤效应，流在圆形回路的外周运动，所以等离子炬具有环状结构，且频率越高，此现象越明显。等离子炬有焰心区、内焰区和尾焰区，其中焰心区的温度高达几千甚至1万度，而环状等离子炬中心通道区的温度较低，通过调整高频发生器的输出功率和气体的流量可以获得不同温度分布的等离子炬。碳纤维从环状等离子炬的中心通过，利用等离子炬局部的高温可以进行高温石墨化处理。另外，从进气口进入的氩气还有保护气的作用，碳纤维在石墨化过程中需要惰性气体进行保护以防止其在高温下被氧化。
本发明与已有相关技术相比具有工艺新颖、设备简单、能耗低、升温速率快等优点，与其它等离子体石墨化装置相比，避免了真空系统和加热稳定性差等缺点，且可实行连续化操作，另外该设备体积小、重量轻、操作简便，适合高性能石墨纤维的生产和研制，有着潜在的工业化利用的前景。
图1是本发明的等离子体碳纤维连续石墨化装置的结构示意图如图所示，1是碳纤维、2是等离子气进气口、3是冷却气进口、4是外层管、5是内层管、6是感应线圈、7是高频发生器、8是进丝口。
等离子炬管是内外两层同心石英玻璃管，外层石英玻璃管4比内层石英玻璃管5长1-2倍，内层石英玻璃管5是一端为柱形，另一端为锥形，在内层石英玻璃管5锥形一端有碳纤维丝入口8和等离子气进气口2，在与内层石英玻璃管5锥形同一端的外层石英玻璃管4上有冷却气进口3，感应线圈6位于外层石英玻璃管4上，高频发生器7与感应线圈6相连。
具体实施例方式
实施例1以3K碳纤维为原料，纤维在丙酮溶液中的停留3分钟、经200℃烘干3分钟后，进入等离子体石墨化装置6，高频发生器的频率为27MHz，纤维的牵伸比为-1％，氩等离子气2的流量为2L/min，冷却气3的流量为15L/min，纤维在等离子炬中的停留时间为15秒，调整高频发生器3的输出频率为2KW，上浆剂的浓度为2％，停留时间为20秒，最后经200℃烘干3分钟得到石墨纤维。性能见表1。
实施例2以3K碳纤维为原料，纤维在丙酮溶液中的停留5分钟、经300℃烘干1分钟后，进入等离子体石墨化装置6，高频发生器的频率为27MHz，氩等离子气2的流量为2L/min，冷却气3的流量为15L/min，纤维在等离子炬中的停留时间为15秒，纤维的牵伸比为1％，调整高频发生器3的输出频率为2.5KW，上浆剂的浓度为5％，停留时间为20秒，最后经200℃烘干3分钟得到石墨纤维。性能见表1。
实施例3以3K碳纤维为原料，纤维在丙酮溶液中的停留10分钟、经300℃烘干1分钟后，进入等离子体石墨化装置6，高频发生器的频率为27MHz，纤维的牵伸比为2％，氩等离子气2的流量为2L/min，冷却气3的流量为15L/min，纤维在等离子炬中的停留时间为15秒，调整高频发生器3的输出频率为3KW，然后进行上浆，上浆剂的浓度为2％，停留时间为120秒，最后经300℃烘干1分钟得到石墨纤维。
性能见表1。
实施例4以3K碳纤维为原料，纤维在丙酮溶液中的停留5分钟、经150℃烘干5分钟后，进入等离子体石墨化装置6，高频发生器的频率为27MHz，功率为5KW，通过调整牵伸装置，纤维的牵伸比为2％，氩等离子气2的流量为1L/min，冷却气3的流量为15L/min，纤维在等离子炬中的停留时间为15秒，调整高频发生器3的输出频率为3KW，然后进行上浆，上浆剂的浓度为2％，停留时间为120秒，最后经300℃烘干1分钟得到石墨纤维。性能见表1。
实施例5
以3K碳纤维为原料，纤维在丙酮溶液中的停留8分钟、经250℃烘干3分钟后，进入等离子体石墨化装置6，高频发生器的频率为27MHz，纤维的牵伸比为4％，氩等离子气2的流量为3L/min，冷却气3的流量为15L/min，纤维在等离子炬中的停留时间为15秒，调整高频发生器3的输出频率为3KW，然后进行上浆，上浆剂的浓度为2％，停留时间为120秒，最后经250℃烘干3分钟得到石墨纤维。性能见表1。
表1 不同实施例下石墨纤维的性能
本发明采用等离子炬进行碳纤维的连续石墨化可以有效地利用能源，降低生产成本，且设备简单，升温速率快，避免了真空系统，是一种碳纤维连续石墨的新方法和设备，有着潜在的工业化利用前景。
权利要求
1.一种碳纤维连续石墨化的方法，其特征在于包括如下步骤碳纤维首先在丙酮溶液中去浆停留时间为1～10分钟；然后在150～350℃下烘干1～5分钟后进入等离子体石墨化装置；纤维在等离子炬中的停留时间为5～120秒，并保持牵伸比为-5～5％，且等离子气体为氩气；石墨化后的纤维采用质量百分比浓度为0.5-2.5％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，停留时间为10～180秒；上浆后的纤维在150～350℃温度下烘干1～5分钟，最后得到石墨纤维。
2.如权利要求1所述的一种用于碳纤维连续石墨化的方法，其特征在于所述的氩气中的氧含量在2ppm以下，水的露点在-64℃以下。
3.如权利要求1所述的一种用于碳纤维连续石墨化的装置包括高频发生器(7)、感应线圈(6)和等离子炬管，其特征在于等离子炬管是内外两层同心石英玻璃管，外层石英玻璃管(4)比内层石英玻璃管(5)长1-2倍，内层石英玻璃管(5)是一端为柱形，另一端为锥形，在内层石英玻璃管(5)锥形一端有碳纤维丝入口(8)和等离子气进气口(2)，在与内层石英玻璃管(5)锥形同一端的外层石英玻璃管(4)上有冷却气进口(3)，感应线圈(6)位于外层石英玻璃管(4)上，高频发生器(7)与感应线圈(6)相连。
4.如权利要求2所述的一种用于碳纤维连续石墨化的装置，其特征在于所述的高频发生器(7)采用自激式电感偶合，频率为27-50MHz，功率为2-10KW。
5.如权利要求2所述的一种用于碳纤维连续石墨化的装置，其特征在于所述的感应线圈为铜管，圈数为2-4圈。
6.如权利要求2所述的一种用于碳纤维连续石墨化的装置，其特征在于所述的冷却气进口(3)与外层石英玻璃管(4)的连接是切线方向连接。
全文摘要
一种碳纤维连续石墨化的方法及其设备是采用等离子炬加热技术，利用热等离子体局部2000℃－3500℃的高温加热碳纤维使之发生石墨化；通过控制电源的输出功率和载气量来控制等离子炬的温度和温度分布；温度采用红外测温，牵伸采用差速收放丝装置。本发明方法新颖，操作简单，能耗低，是一条切实可行的碳纤维连续石墨化方法。
文档编号D01F11/00GK1746344SQ20051001290
公开日2006年3月15日 申请日期2005年10月12日 优先权日2005年10月12日
发明者王浩静, 李东风, 朱星明, 晁兵, 周立功, 薛林兵, 刘颖, 王心葵 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所