专利名称：一种提高碳纤维强度和模量的方法
技术领域：
本发明涉及复合材料增强体改性技术，具体涉及一种提高碳纤维强度和模量的方法。
背景技术：
随着航空航天和现代武器的不断发展，对所用材料提出了更高的要求。例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，越来越需要比强度和比模量高的材料，于是轻质、高强的纤维增强体复合材料在高科技领域和国防建设中占有越来越重要的位置。这些复合材料由增强纤维和基体组成，其中碳纤维是最常用也是最重要的增强体，它具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗蠕变、耐化学腐蚀和高热导等特性。但是由于生产原丝和工艺的局限性，就其本体强度与弹性模量而言，实际值与理论值相差很大。碳纤维的理论强度为180GPa，理论模量为1020GPa，即使目前性能最好的T1000碳纤维拉伸强度(7.02GPa)也仅为理论值的3.9％，无法充分发挥碳纤维的优异性能。
目前，我国碳纤维存在价高质低、强度低和模量小等不足，我国军用武器和航天材料使用的碳纤维大多依赖进口。近年来，国内外提高碳纤维本体强度的方法主要有3种，即通过改性前躯体，减小纤维的缺陷，提高碳纤维的本体强度；通过气相碳的沉积表面补强，填补纤维的表面缺陷，达到提高强度的目的；对碳纤维进行磁化提高其石墨化程度，增加纤维的本体强度。但是，现有提高碳纤维本体强度的方法普遍存在着成本高、无法批量处理的问题。
发明内容
为解决现有技术所存在的成本高、无法批量处理的问题，本发明提供了一种提高碳纤维强度和模量的方法，在γ射线辐照下，提高纤维的石墨化程度，使纤维的本体结构发生变化，进而提高纤维的本体强度和模量。本发明的技术方案是将碳纤维放入辐照源室内进行γ射线辐照，所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～6×105Gy。本发明的另一个技术方案是先将碳纤维置于密闭容器内，抽真空使密闭容器内的压力低于0.1个标准大气压，充入惰性气体使密闭容器内的压力达到1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入辐照源室进行γ射线辐照。由于碳纤维存在皮芯结构，皮层的微晶较大，排列比较整齐有序。由皮层到芯部，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性越来越显著；而γ射线粒子的能量高、穿透力强，能够在较厚材料内部引发活性点，与材料周围的介质发生反应；γ射线粒子所提供的能量可以使芯部的石墨微晶重新排列、沿纤维轴向提高取向，能提高碳纤维的本体强度和模量。本发明所述的提高碳纤维强度和模量的方法具有操作过程简单、成本低廉的优点，无需考虑与生产线配套问题，经γ射线辐照处理后的材料无放射性，可实现工业化批量处理。
图1是γ射线辐照剂量对碳纤维杨氏模量影响的曲线图，图2是γ射线辐照剂量对碳纤维强度影响的曲线图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式是将碳纤维放入辐照源室内进行γ射线辐照，所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～6×105Gy。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～9×104。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，辐照剂量为1×105Gy～2.9×105Gy。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为5×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×105Gy～6×105Gy。
具体实施方式
五本实施方式是先将碳纤维置于密闭容器内，抽真空使密闭容器内的压力低于0.1个标准大气压，充入惰性气体使密闭容器内的压力达到1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入辐照源室进行γ射线辐照，所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～6×105Gy。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～9×104Gy。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，辐照剂量为1×105Gy～2.9×105Gy。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于所述γ射线辐照剂量率为5×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×105Gy～6×105Gy。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.05个标准大气压，充入氮气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为0.6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了3％，杨氏模量提高了3％。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.07个标准大气压，充入氖气使密闭容器内的压力达到达1标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为5.5×103Gy/h，辐照剂量为8×104Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了5％，杨氏模量提高了3.2％。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.08个标准大气压，充入氩气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为1.9×103Gy/h，辐照剂量为9×104Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了5.5％，杨氏模量提高了3.4％。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.05个标准大气压，充入氮气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为2×103Gy/h，辐照剂量为1×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了6％，杨氏模量提高了3.6％。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.07个标准大气压，充入氖气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为4×103Gy/h，辐照剂量为2×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了8.6％，杨氏模量提高了3.8％。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.08个标准大气压，充入氩气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为4.9×103Gy/h，辐照剂量为2.9×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了9.4％，杨氏模量提高了4％。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.05个标准大气压，充入氮气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为5×103Gy/h，辐照剂量为3×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了9％，杨氏模量提高了4％。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.07个标准大气压，充入氖气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为1×103Gy/h，辐照剂量为4×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了7.6％，碳纤维的杨氏模量提高了4.8％。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于将100g碳纤维置于密闭的玻璃容器中，抽真空使容器内压力达到0.08个标准大气压，充入氩气使密闭容器内的压力达到达1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入γ射线辐照源室中进行辐照；γ射线的辐照剂量率为6×103Gy/h，辐照剂量为6×105Gy。辐照后经WD-20D电子万能试验机测试，碳纤维的拉伸强度提高了4％，杨氏模量提高了5％。
依据本发明所述方法，碳纤维的杨氏模量随着γ射线辐照剂量的增加，会有更进一步的提高，当γ射线辐照剂量达到3×106Gy时，杨氏模量可提高12％(如图1所示)，以适应不同的使用需求。
权利要求
1.一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于将碳纤维放入辐照源室内进行γ射线辐照。
2.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～6×105Gy。
3.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～9×104Gy。
4.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，辐照剂量为1×105Gy～2.9×105Gy。
5.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为5×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×105Gy～6×105Gy。
6.一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于先将碳纤维置于密闭容器内，抽真空使密闭容器内的压力低于0.1个标准大气压，充入惰性气体使密闭容器内的压力达到1个标准大气压，然后将装有碳纤维的密闭容器放入辐照源室进行γ射线辐照。
7.根据权利要求6所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～6×105Gy。
8.根据权利要求6所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，辐照剂量为3×104Gy～9×104Gy。
9.根据权利要求6所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，辐照剂量为1×105Gy～2.9×105Gy。
10.根据权利要求6所述的一种提高碳纤维强度和模量的方法，其特征在于所述γ射线辐照剂量率为5×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为3×105Gy～6×105Gy。
全文摘要
一种提高碳纤维强度和模量的方法，它涉及复合材料增强体改性技术，具体涉及一种提高碳纤维强度和模量的方法。为解决现有技术所存在的成本高、无法批量处理的问题，本发明的技术方案是将碳纤维放入辐照源室内进行γ射线辐照，所述γ射线辐照剂量率为0.6×10
文档编号D06M10/00GK1869292SQ20061001018
公开日2006年11月29日 申请日期2006年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者黄玉东, 徐志伟, 张春华, 刘丽, 宋元军 申请人:哈尔滨工业大学