专利名称：一种高强高模碳纤维生产方法及其专用设备的制作方法
技术领域：
本发明属于制备碳纤维的加工工艺以及专用生产装置，具体涉及一种高强高模碳纤维生产方法及其专用生产设备。
背景技术：
高模量碳纤维又称石墨化纤维，以其高比模、高比强度和低热膨胀系数等优异性能而成为航空、航天、军事和科研急需的新型增强复合材料。特别是石墨化碳纤维连续长丝的生产具有特别重要的科学意义和经济价值。国际上通用的碳纤维生产工艺是先将聚丙烯腈纤维预氧化后经1000-1500℃高温碳化，再经过3000℃高温处理，完成纤维的石墨化。我国已经具备生产碳纤维的能力，但石墨化碳纤维目前国内还不能生产，产品主要由国外进口，生产石墨化碳纤维的关键是专用生产设备。中国专利(ZL98115308)公开了一种“石墨化纤维制造新工艺及其专用设备”，采用高频聚焦电场的非接触感应加热方法，使碳纤维直接被加热，完成纤维的石墨化。经过试用，采用这种装置目前存在的主要不足是1、由于高频加热器外界电压波动等因素，导致输出功率不稳，碳纤维加热温度波动，影响产品质量；2、高频加热器温度调节采用人工机械调节，控制不灵敏，温度波动周期长，产品质量不均匀；3、由于碳纤维丝的直径不同，产生的感应电压不同，加热过程中丝与丝之间容易产生打火现象，出现毛丝影响产品质量，为了避免这种现象，加热过程中需要对碳纤维进行加捻，这样处理对于多K数的丝来讲，优点是避免了打火现象，缺点是使用时丝束不易散开，影响产品利用；4、牵伸力通过收放丝机构差速实现，但牵伸力的大小无法显示，因此不能在最佳牵伸力的条件下生产，致使牵伸不能发挥应有的作用；5、加热温度设计为2500-3000℃，加热温度高虽然可以提高纤维的模量，但同时降低了纤维的强度，难以生产出高强、高模的石墨化纤维材料，影响了其使用范围；6、该装置的反应管为细长石英管，反应过程的功能作用不明显，碳纤维在石墨化段的停留时间不能严格控制，石墨纤维晶体不能细化，强度得不到保证。
发明内容本发明主要解决的技术问题是通过计算机来控制和调节高频发生器的输出功率；通过牵伸显示装置使牵伸力定量化，能够在最佳牵伸力的条件下进行操作；反应管分段设计，以满足石墨化过程中的工艺要求；使用催化剂，以降低反应温度，加速石墨化过程，保证纤维的强度和模量，实现高强、高模石墨化纤维的生产。
本发明高强高模碳纤维的生产方法是采用高频聚焦线性电场感应加热，使加载轴向牵伸张力的碳纤维连续通过高频线性电场的加热反应区，高频加热反应管依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段和水冷段组成，碳纤维在分段的反应管中连续的通过，石墨化段的反应温度控制在2500-2650℃，在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程；纤维进口端的裂解段和脱氧段通过气冷套的气冷与石墨化段依次形成温度梯度；纤维出口端的气冷段和水冷段在气冷套和水冷套的作用下使纤维温度下降；上述石墨化段与前后相邻的裂解段和气冷段石英反应管内设置喉管，使碳纤维在石墨化段通过喉管和张力束紧并定位于反应管的中心线上；上述催化剂为硼的化合物，当石墨化段温度升至2500℃时，通过Ar气将催化剂硼的化合物气体定量带入石英反应管，通过分解出的硼加速碳纤维石墨化过程以及增加纤维的强度。
本发明高强高模碳纤维生产专用设备，是由高频发生器、射频耦合器、高频加热反应器和牵伸装置组成，高频加热反应器呈一细长石英反应管，定位在射频耦合器中，石英反应管设置为五段，依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段、水冷段组成，石墨化段与前后相邻的裂解段和气冷段的石英管内设置喉管；裂解段与气冷段的石英管外围设有气冷套，气冷段还设有与石英管内腔相通的Ar气入口，水冷段设有水冷套；上述牵伸装置是由前后组合轮、牵伸力显示器和调速电机组成，前、后组合轮设置在石英反应器的碳纤维进、出口的两端，后组合轮通过调速电机驱动，牵伸力显示器设置在前、后组合轮之间，使碳纤维穿过牵伸力显示器的传动装置；光学测温仪设置在石墨化段的石英管外面，其信号输出端与上述高频发生器的输入端相连接，通过计算机控制和调节高频发生器的输出功率。
本发明与已有技术相比具有以下优点1、在高频装置上增加计算机控制，使输出功率更加稳定，反应温度控制灵敏，操作方便，节省人力，产品质量均匀、一致性好。
2、对石英反应管的结构进行了改进，使用了合理的工艺参数，降低了反应温度，提高了走丝速度，缩短了停留时间，并合理使用催化剂，加快了碳纤维的石墨化过程，使产品达到高强、高模。
3、石英反应管内设置喉管，可将碳纤维束紧，无须再进行加捻；牵伸装置增加了显示器，能使牵伸力控制在最佳状态，提高了产品质量。
4、采用该装置生产的石墨化碳纤维具有高强(HT)、高模(HM)的力学性能，强度＞3.5Gpa，模量＞400Gpa，扩大了产品的用途，提高了经济效益。
图1为高强高模碳纤维生产工艺示意图；图2为石英反应器结构示意图图3为牵伸力显示器结构示意图。
其中1、高频发生器 2、射频耦合器 3、高频加热反应区 4、光学测温仪 5、石英反应管 6、牵伸装置 7、牵伸前组合轮 8、牵伸后组合轮 9、牵伸力显示器 10、调速电机 11、喉管 12、裂解段的气冷套13、气冷段的气冷套 14、Ar气入口 15、水冷段的水冷套 16、支承轮17、传感器 18、张力表 A、脱氧段 B、裂解段 C、石墨化段 D、气冷段 E、水冷段具体实施方式
如图1、图2所示，本发明高强高模碳纤维生产的设备主要由高频发生器1、射频耦合器2、石英反应管5、牵伸装置6组成，其高频加热反应区3定位于射频耦合器2的谐振腔中，光学测温仪4设置在高频加热反应区的石英反应管5外面，其信号输出端与高频发生器1的输入端相连接，通过光学测温使反应管内微小的温度变化变成电信号反馈到高频发生器内，由计算机控制和不断调节高频发生器的输出功率，实现整机的自动控制，操作简便，温度控制精确。
本发明采用的牵伸装置6是由牵伸前组合轮7、牵伸后组合轮8、牵伸力显示器9、调速电机10组成，前组合轮7通过支架设置在石英反应管的进丝端，后组合轮8设置在石英反应管的收丝端，牵伸力通过前组合轮7的阻力作用和可调速电机10的转速调节，牵伸张力调节范围设置在每K丝350-700克。牵伸力大小的具体数值可通过设置在反应管出口与后组合轮8之间的显示器9显示。
上述牵伸力显示器是由支承轮16、传感器17、张力表18组成。工作时，碳纤维通过支承轮16和传感器17，其张力由张力表18显示，如图3所示。
上述石英反应管5依次设置为脱氧段A、裂解段B、石墨化段C、气冷段D和水冷段E，与石墨化段前后相邻的裂解段和气冷段反应管内设置喉管11，喉管为一个设置在石英反应管内的环形支架，两喉管之间的距离设置为1100-1300mm。纤维束由喉管11定位在反应管的中心，并通过张力绷紧与反应管的中心轴重合。裂解段与气冷段的反应管外围设有气冷套12、13，气冷段还设有与反应管内腔相通的Ar气入口14，水冷段设有水冷套15。生产过程中碳纤维在石墨化段的反应温度控制在2500-2650℃，停留时间设置为10-15秒，走丝速度控制在每小时180-400m，在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程。上述催化剂为硼的化合物，加入量为碳纤维重量的0.5-2％。
生产时碳纤维在分段的石英反应管中连续的通过，在脱氧段脱除碳纤维表面吸附的氧和水，以净化纤维的表面；在裂解段排除非碳元素裂解形成的气体，防止到高温段由于气胀作用降低纤维的强度；在石墨化段缩短停留时间，降低热处理温度，以减少表面碳的蒸发和使石墨晶体细化；在冷却段使纤维迅速降温，以防止由于纤维的皮、芯结构膨胀系数不同而产生应力降低纤维强度。
本发明中Ar气在反应管内与碳纤维呈反方向运动，Ar气由气冷段进入反应管，从脱氧段碳纤维的进口排出，生产中碳纤维进入脱氧段首先接触的是热的Ar气流，对碳纤维表面吸附氧和水，起到了脱除和净化纤维表面的作用，当纤维进入裂解段，遇到更高温度的Ar气流，使纤维中的非碳原子裂解，防止进入石墨化段产生气胀作用，纤维进入气冷段和水冷段后遇到的是刚进入反应管的温度较低的Ar气，再加上气冷和水冷的作用，纤维的温度很快就降至室温，防止了由于应力产生而降低纤维的强度，同时也避免了纤维的再次氧化，在工艺过程中Ar气能够合理、有效的利用热量，对提高纤维的强度起到了重要的作用。
采用本发明生产的石墨化碳纤维，能够保证纤维的强度和模量，实现高强、高模石墨化纤维的生产，产品用途广泛，经济效益显著。
权利要求
1.一种高强高模碳纤维生产方法，采用高频聚焦线性电场感应加热，使加载轴向牵伸张力的碳纤维连续通过高频线性电场的加热反应区，其特征在于高频加热反应管依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段和水冷段组成，碳纤维在分段的反应管中连续的通过，石墨化段的反应温度控制在2500-2650℃，在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程；纤维进口端的裂解段和脱氧段通过气冷套的气冷与石墨化段依次形成温度梯度；纤维出口端的气冷段和水冷段在气冷套和水冷套的作用下使纤维温度下降；上述石墨化段与前后相邻的裂解段和气冷段石英反应管内设置喉管，使碳纤维在石墨化段通过喉管和张力束紧并定位于反应管的中心线上；上述催化剂为硼的化合物，当石墨化段温度升至2500℃时，通过Ar气将催化剂硼的化合物气体定量带入石英反应管，加速碳纤维石墨化过程。
2.根据权利要求1所述的一种高强高模碳纤维生产方法，其特征在于碳纤维在石墨化段的停留时间设置为10-15秒，走丝速度控制在每小时180-400m。
3.根据权利要求1所述的一种高强高模碳纤维生产方法，其特征在于所述的催化剂硼的化合物加入量为碳纤维重量的0.5-2％。
4.一种高强高模碳纤维生产专用设备，由高频发生器、射频耦合器、高频加热反应器和牵伸装置组成，高频加热反应器呈一细长石英反应管，定位在射频耦合器中，其特征在于石英反应管设置为五段，依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段、水冷段组成，石墨化段与前后相邻的裂解段和气冷段的石英管内设置喉管；裂解段与气冷段的石英管外围设有气冷套，气冷段还设有与石英管内腔相通的Ar气入口，水冷段设有水冷套；上述牵伸装置是由前后组合轮、牵伸力显示器和调速电机组成，前、后组合轮设置在石英反应器的碳纤维进、出口的两端，后组合轮通过调速电机驱动；牵伸力显示器设置在前、后组合轮之间，使碳纤维穿过牵伸力显示器的传动装置光学测温仪设置在石墨化段的石英管外面，其信号输出端与上述高频发生器的输入端相连接，通过计算机来控制和调节高频发生器的输出功率。
5.根据权利要求4所述的高强高模碳纤维生产专用设备，其特征在于上述牵伸力显示器是由支承轮、传感器和张力表组成。
6.根据权利要求4所述的高强高模碳纤维生产专用设备，其特征在于上述喉管为一个设置在石英反应管内的环形支架，两喉管之间的距离设置为1100-1300mm。
全文摘要
本发明涉及一种高强高模碳纤维生产方法及其专用生产设备。其中高频加热反应管分段设计,依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段和水冷段组成,碳纤维在分段的反应管中连续的通过,石墨化段的反应温度控制在2500－2650℃,在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程。牵伸装置增加了牵伸力显示器,能够使牵伸力控制在最佳状态;通过光学测温使反应管内微小的温度变化变成电信号反馈到高频发生器内,由计算机控制和调节高频发生器的输出功率,实现整机的自动控制,操作简便,温度控制精确,产品质量均匀、一致性好。采用该装置生产的石墨化碳纤维具有高强、高模的力学性能,强度>3.5GPa,模量>400GPa,产品用途广泛,经济效益显著。
文档编号H05B6/64GK1385567SQ02135138
公开日2002年12月18日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者张蓬洲 申请人:张蓬洲