专利名称：高模量碳纤维及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维及其制造方法，特别涉及一种高模量碳纤维及其制造方法。
背景技术：
碳纤维因为具有低比重、高抗张强度、高模量、高导电性、高热导等一系列的优良特性，还具有纤维的柔性可编织特性的优点。其中，高强度高模量的特殊碳纤维，被广泛应用于建筑、航空、军事的新型增强复合材料。碳纤维原料种类相当多，如嫘萦(Rayon)、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、浙青(pitch)等。目前主要使用的碳纤维采用聚丙烯腈(PAN)为原料，其碳纤维的强度等力学特性优良，品质性能均勻且可稳定制造。通常，利用X射线衍射(XRD)与拉曼光谱(Raman)对PAN碳纤维的微观结构进行了解，并研究其对碳纤维机械性能的影响。在XRD分析中，主要由石墨相峰值半高宽β判断石墨层结晶面(002)的堆叠厚度(结晶厚度)，一般以Lc表示，关系式如公式(1)，K为形状因子，λ为X射线波长，θ为散射角。Lc = KX/β cos θ公式(1)Lc越高代表石墨层堆叠数越多，纤维结构越紧密。理论上和实际商品验证均指出， 石墨层结晶厚度Lc越大，碳纤维的拉伸模量越高。在碳纤维Raman分析中，均会出现G峰( 1580cm-1)与D峰( 1350cm-1)。G峰信号为石墨片层平面内石墨结晶分子SP2的伸缩振动所提供，而D峰则为石墨片层边缘碳原子振动所致，也代表不完善的石墨结构。而石墨化程度(R)，可以用特征峰强度之比来计算，如公式(2)所示。R = ID/IG公式 O)R越小表示石墨化程度越高。此外R值与碳纤维石墨层大小(结晶宽度)La具有如公式(3)所示的关系。La = 44 X R"1公式(3)理论上，La越大代表石墨化程度好，晶粒宽度大，沿纤维轴向方向的晶界也越大， 但这也有可能使裂纹越容易传播，或是晶体内部缺陷含量提高等因素导致拉伸强度降低。如表1所示，以Toray-T300系统为处理碳纤，当石墨化制程温度提高时 (2400-3000°C )，碳纤维石墨层结晶厚度Lc与结晶长度La随温度增加会同时成长。衍生的机械性质的变化拉伸模量随着Lc成长而提高，但拉伸强度却会随La增长而降低。[表1]表1 随着温度提高，PAN碳纤维的La、Lc、强度、模量变化
制程温度Lc(nm)La(nm)拉伸模量A^a拉伸强度/GI3a
权利要求
1.一种高模量碳纤维，包括下述步骤所得的产物对预氧化碳纤维进行微波辅助加热石墨化制程，其中，该微波辅助加热石墨化制程在 1-30分钟内使该预氧化碳纤维温度提高到石墨化温度1000-3000°C。
2.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该预氧化碳纤维包括下述步骤所得的产物对碳纤维材料进行预氧化，其中，预氧化温度控制在200 300°C，预氧化时间控制在 60-240 分钟。
3.如权利要求2所述的高模量碳纤维，其中，该碳纤维材料包含聚乙烯醇、偏氯乙烯、 浙青、聚丙烯腈、或其组合。
4.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该微波辅助加热石墨化制程利用微波辅助吸收材料，以集中场强并提供预热。
5.如权利要求4所述的高模量碳纤维，其中，该微波辅助吸收材料包括石墨化物、氮化物、石墨、磁性化合物、介电陶瓷、离子化合物、或其组合。
6.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该微波辅助加热石墨化制程在惰性气体气氛中进行。
7.如权利要求6所述的高模量碳纤维，其中，该惰性气体气氛包含氮气、氩气、氦气、或其组合。
8.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该微波辅助加热石墨化制程的升温速率为 0. 5-2000C / 秒。
9.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该微波辅助加热石墨化制程使用高频率电场产生微波，该微波频率为300-30，OOOMHz，微波功率密度为0. l_300kW/m2。
10.如权利要求1所述的高模量碳纤维，其中，该高模量碳纤维的抗张强度为 2. 0-6. 5GPa，而模量范围为200 650GPa。
11.一种高模量碳纤维，其中，该高模量碳纤维的石墨层排列的结晶厚度(Lc)与结晶长度(La)具有下述限制条件19A<Lc<70A、35A<La<60A以及(Lc-19)>= 2. 5 (La-40)。
12.—种高模量碳纤维的制造方法，包括对预氧化碳纤维进行微波辅助加热石墨化制程，其中，该微波辅助加热石墨化制程在 1-30分钟内使该预氧化碳纤维温度提高到石墨化温度1000-3000°C。
13.如权利要求12所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该预氧化碳纤维包括下述步骤所得的产物对碳纤维材料进行预氧化，其中，预氧化温度控制在200 300°C，预氧化时间则控制在60-240分钟。
14.如权利要求13所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该碳纤维材料包含聚乙烯醇、偏氯乙烯、浙青、聚丙烯腈、或其组合。
15.如权利要求12项所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该微波辅助加热石墨化制程利用微波辅助吸收材料，以集中场强并提供预热。
16.如权利要求15所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该微波辅助吸收材料包括 石墨化物、氮化物、石墨、磁性化合物、介电陶瓷、离子化合物、或其组合。
17.如权利要求12项所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该微波辅助加热石墨化CN 102534866 A制程在惰性气体气氛中进行。
18.如权利要求17所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该惰性气体气氛包含氮气、 氩气、氦气、或其组合。
19.如权利要求12所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该微波辅助加热石墨化制程的升温速率为0. 5-2000C /秒。
20.如权利要求12所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该微波辅助加热石墨化制程使用高频率电场产生微波，该微波频率为300-30，000MHz，微波功率密度为0. l-300kff/2m ο
21.如权利要求12所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该高模量碳纤维的石墨层排列的结晶厚度(Lc)与结晶长度(La)具有下述限制条件19A<Lc<70A、35A<La<60A 以及(Lc-19 A)/(La-40 A)=2.5。
22.如权利要求12所述的高模量碳纤维的制造方法，其中，该高模量碳纤维的抗张强度为2. 0-6. 5GPa，而模量范围为200_650GPa。
全文摘要
本发明提供一种高模量碳纤维及其制作方法，其包含下述步骤所得到的产物对预氧化碳纤维进行微波辅助加热石墨化制程，其中，该微波辅助加热石墨化制程在1-30分钟内使该预氧化碳纤维温度提高到石墨化温度1000-3000℃。本发明所述的高模量碳纤维的抗张强度可达到2.0-6.5GPa，模量可达到200-650GPa。
文档编号D01F9/22GK102534866SQ20101059355
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘怡彣, 王智永, 郑世裕, 郑淑蕙, 陈中屏 申请人:财团法人工业技术研究院