一种高强度高模量碳纤维的制备系统的制作方法

本实用新型属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种高强度高模量碳纤维的制备系统。

背景技术：

高强度高模量碳纤维具有拉伸强度高、拉伸模量高、热膨胀系数小、耐腐蚀、抗疲劳、导电等一系列优点，因此在航空、航天、民用等各个领域均获得广泛应用。高强度高模量碳纤维是在碳纤维基础上经过高温石墨化处理制备得到，因而石墨化处理成为制备高强度高模量碳纤维关键工艺之一。

目前国内外的现有技术中，高强度高模量碳纤维的石墨化处理过程往往是由单温区的高温石墨化系统组成，采用石墨化炉对碳纤维直接进行高温石墨化处理一段时间。

申请人通过大量的调查研究发现，碳纤维在石墨化处理过程中经历了破坏-重构-增长过程，即碳纤维在低于一定温度(通常2300℃)时，碳纤维乱层石墨结构首先发生破坏，纤维体密度大幅下降，当石墨化温度继续提高时，纤维破坏结构会发生重构，纤维体密度逐渐上升，而随石墨化温度进一步升高，重构后的石墨化结构出现有序增长，其纤维体密度也大幅提高。由于目前国内外的现有技术在制备高强度高模量碳纤维时只采用单温区的高温石墨化处理，高温石墨化处理会显著缩短碳纤维的破坏-重构-增长整个过程的时间，导致纤维内部结构未完全重构，进而导致碳纤维力学性能尤其是拉伸强度显著下降。

专利号为4301136的美国专利文献公开了一种利用前、后炉生产高品质高强度高模量碳纤维方法，但其前炉温度较低，仅为1700-1900℃，而且其前炉处理时间显著高于后炉处理时间，导致制备得到纤维性能较低，制备得到纤维拉伸模量最高427GPa，且同时其拉伸强度仅为

2.58GPa。

若要在稳定提升碳纤维拉伸模量的前提下，尽可能获得较高的拉伸强度，则需要重新设计一种新的高强度高模量碳纤维的制备系统及制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种高强度高模量碳纤维的制备系统，通过使用低温、高温石墨化两个装置对碳纤维进行石墨化处理，并利用低温、高温石墨化工艺参数的合理设计与调控，在稳定提高碳纤维拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，从而获得高拉伸强度高拉伸模量碳纤维。

一种高强度高模量碳纤维的制备系统，包括碳纤维丝束依次进入的低温石墨化装置与高温石墨化装置；所述低温石墨化装置与高温石墨化装置均设有丝束通道，沿丝束通道方向均设有石墨发热体；

所述低温石墨化装置中的石墨发热体长度为50-100cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2000-2300℃；所述高温石墨化装置中的石墨发热体长度为100-200cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2400-2800℃。

碳纤维丝束在进入低温石墨化装置与高温石墨化装置后的运行速度一般是相等的，由于低温石墨化装置的石墨发热体长度小于高温石墨化装置的石墨发热体长度，因此碳纤维丝束在低温石墨化装置中的停留时间较之高温石墨化装置中要短。由于低温石墨化装置起始温度设置合理且耗时短，因而可在短时间内保证纤维内部结构进行破坏-重构，再经高温石墨化装置的长时间处理，实现纤维石墨结构的有序增长。

与目前国内常用的单温区高温石墨化装置相比，本实用新型通过首先利用低温石墨化装置对碳纤维进行低温石墨化处理，在保证纤维内部结构发生破坏-重构转变的同时，又可有效降低过高石墨化温度对纤维拉伸强度产生的损伤，因而有助于提高石墨化处理中碳纤维强度保留率，然后经过高温石墨化装置的高温、长时、稳定化处理，实现石墨微晶有序增长及碳纤维拉伸模量的稳定提升，最终制备得到高强度高模量碳纤维。

作为优选，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置中的石墨发热体均有两个，对称固定于丝束通道外。石墨发热体紧贴于丝束通道，使得石墨发热体加热时，热量可以更加均匀的传递到丝束通道内部。

进一步地，所述石墨发热体对称可以固定于丝束通道外壁的上、下两个端面。

作为优选，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置的石墨发热体外设有保温层，保温层外包裹外壳。保温层的作用保持装置内部的温度稳定，防止石墨发热体产生的热量浪费，使系统更加节能。

进一步地，保温层可以由上保温层、下保温层组成，方便安装。

作为优选，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置在丝束通道的进、出口处设有保护气入口。在碳纤维丝束进入低温石墨化装置与高温石墨化装置进行石墨化处理时，通入惰性气体，防止碳纤维丝束被氧化。

作为优选，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置的外壳上均设有水冷循环装置。由于石墨发热体的加热温度会达到几千度，安装了保温层后，也会有很多热量传递到外壳上，安装水冷循环装置可以有效降低外壳温度，防止整个装置高温损坏，保证整个系统的安全性。

利用本实用新型进行高强度高模量碳纤维的制备，具体步骤包括：

(1)碳纤维丝束首先进入低温石墨化装置在惰性气氛下进行低温石墨化处理，石墨化处理温度为2000-2300℃；

(2)然后进入高温石墨化装置在惰性气氛下进行高温石墨化处理，石墨化处理温度为2400-2800℃，收丝后得到高强度高模量碳纤维。

步骤(1)中，所述碳纤维丝束采用干法、湿法和干喷湿纺的一种或多种方法制备得到。所述碳纤维丝束规格为1-48k。

作为优选，步骤(1)中，低温石墨化处理时间为10-90s，总牵伸倍率2-6％。

作为优选，步骤(2)中，高温石墨化处理时间为10-120s，总牵伸倍率3-9％。

步骤(1)和步骤(2)中惰性气氛为高纯氩气、氮气或两者的混合气。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的制备系统通过使用低温、高温石墨化两装置对碳纤维进行石墨化处理，并利用低温、高温石墨化工艺参数的合理设计与调控，可在稳定提高碳纤拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，制备得到拉伸模量≥475GPa，拉伸强度≥4.8GPa的高强度高模量碳纤维。

附图说明

图1是本实用新型实施例高强度高模量碳纤维的制备系统结构示意图；

图2为对比例制备的碳纤维的拉伸曲线；

图3为实施例1制备的高强度高模量碳纤维的拉伸曲线；

图4为实施例2制备的高强度高模量碳纤维的拉伸曲线；

图5为实施例3制备的高强度高模量碳纤维的拉伸曲线；

图6为实施例4制备的高强度高模量碳纤维的拉伸曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述，但应当理解以下实施例用于说明本实用新型，不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种高强度高模量碳纤维的制备系统，包括碳纤维丝束1依次进入的低温石墨化装置13和高温石墨化装置14。

低温石墨化装置13包括丝束通道，丝束通道设有丝束通道进口2和丝束通道出口11，丝束通道的上、下外壁紧贴有沿着丝束通道方向的第一石墨发热体3，第一石墨发热体3外包裹有保温层。保温层由上保温层4和下保温层5组成，在保温层外部设有外壳6。外壳6在靠近丝束通道进口2处设有水冷循环装置9，在靠近丝束通道出口11处设有水冷循环装置10。丝束通道进口2处设有保护气入口7，丝束通道出口11处设有保护气入口8。

高温石墨化装置14与低温石墨化装置13的结构基本相同，只是高温石墨化装置14中设有第二石墨发热体12，且第二石墨发热体12的长度大于低温石墨化装置13中的第一石墨发热体3。高温石墨化装置14的进口与低温石墨化装置11的出口相对。低温石墨化装置13中的第一石墨发热体长度为50-100cm，高温石墨化装置14中的第二石墨发热体长度为100-200cm。

利用上述高强度高模量碳纤维的制备系统进行高强度高模量碳纤维的制备，包括：

(1)碳纤维丝束1经过丝束入口2进入低温石墨化装置13，在第一石墨发热体3的作用下进行低温石墨化处理，其中在外壳6两侧的保护气入口7和保护气入口8，通入保护性氩气，防止氧化性气氛进入系统内，外壳6两侧设有水冷循环装置9和水冷循环装置10，利用水循环有效降低装置温度，并在上保温层4及下保温层5的保护下防止装置高温损坏。

(2)经低温石墨化处理后丝束进入高温石墨化装置14，该装置内的第二石墨发热体12长度较长，保证纤维经过长时高温石墨化处理，其他设置与低温石墨化装置相同，经过高温石墨化处理后收丝成卷，即为得到高强度高模量碳纤维。

对比例：

以丝束规格为6K的碳纤维作为原料，拉伸强度为5.10GPa，拉伸模量293GPa，进入高温石墨化系统进行处理，处理温度2600℃、牵伸倍率4％、停留时间90s，制备得到碳纤维。碳纤维力学性能检测时拉伸曲线如图2所示，碳纤维力学性能为8个试样的平均值，具体测试数据如表1所示，表中cv值代表试样离散系数，cv值越小，说明纤维离散性越小，性能越稳定。

表1

实施例1：

以丝束规格为6K的碳纤维作为原料，拉伸强度为5.10GPa，拉伸模量293GPa，首先进入低温石墨化装置，处理温度2200℃、牵伸倍率4％、停留时间30s，然后进入高温石墨化装置进行处理，处理温度2600℃、牵伸倍率4％、停留时间90s，制备得到碳纤维。碳纤维力学性能检测时拉伸曲线如图3所示，碳纤维力学性能为8个试样的平均值，具体测试数据如表1所示。

实施例2：

以丝束规格为6K的碳纤维作为原料，拉伸强度为5.10GPa，拉伸模量293GPa，首先进入低温石墨化装置，处理温度2300℃、牵伸倍率4％、停留时间30s，然后进入高温石墨化装置进行处理，处理温度2600℃、牵伸倍率4％、停留时间90s，制备得到碳纤维。碳纤维力学性能检测时拉伸曲线如图4所示，碳纤维力学性能为8个试样的平均值，具体测试数据如表1所示。

实施例3：

以丝束规格为6K的碳纤维作为原料，拉伸强度为5.10GPa，拉伸模量293GPa，首先进入低温石墨化装置，处理温度2300℃、牵伸倍率5％、停留时间30s，然后进入高温石墨化装置进行处理，处理温度2600℃、牵伸倍率4％、停留时间90s，制备得到碳纤维。碳纤维力学性能检测时拉伸曲线如图5所示，碳纤维力学性能为8个试样的平均值，具体测试数据如表1所示。

实施例4：

以丝束规格为6K的碳纤维作为原料，拉伸强度为5.10GPa，拉伸模量293GPa，首先进入低温石墨化装置，处理温度2300℃、牵伸倍率4％、停留时间30s，然后进入高温石墨化装置进行处理，处理温度2700℃、牵伸倍率4％、停留时间90s，制备得到碳纤维。碳纤维力学性能检测时拉伸曲线如图6所示，碳纤维力学性能为8个试样的平均值，具体测试数据如表1所示。

本实用新型的方法操作简单、可控性强，本实用新型方法通过使用低温、高温石墨化两装置对碳纤维进行石墨化处理，并利用低温、高温石墨化工艺参数的合理设计与调控，可在稳定提高碳纤拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，制备得到拉伸模量≥475GPa，拉伸强度≥4.8GPa的高强度高模量碳纤维。

以上所述，仅显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本实施例用于说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。