使用微波的碳纤维碳化设备的制作方法

本申请要求于2018年7月23日提交的第10-2018-0085419号韩国专利申请和于2019年7月10日提交的第10-2019-0083343号韩国专利申请的优先权权益，通过引用将它们的全部内容合并于此。

本发明涉及一种使用微波的碳纤维碳化设备，更具体地，涉及一种通过改变内部加热元件的结构而直接提高了加热效果并且在通过使用微波使碳纤维碳化的同时改善了碳纤维的机械性能的使用微波的碳纤维碳化设备。

背景技术：

碳纤维是指通过在惰性气氛下将由聚丙烯腈(pan)制成的纤维形式的有机碳纤维材料、作为石油/煤的碳氢化合物残余物的沥青、或人造丝热解为碳元素的质量含量为90％以上的具有纤维长度的碳材料所得到的纤维。

碳纤维比钢轻并且强度优异，因此被广泛地应用于各种领域，例如汽车领域、航空航天领域、风力发电领域、体育领域等。例如，近来，由于环境问题，与车辆排气有关的环境法规越来越严格，并且对高效率的需求正在增加。结果是，使用碳纤维增强复合材料的技术作为能够在不牺牲结构强度和机械强度的情况下减轻车辆重量的方法引起了关注。

然而，为了将这些技术应用于各种行业，有必要开发一种能够以低成本大量生产具有高性能的碳纤维的技术。

在根据现有技术的碳纤维的碳化工艺中，分阶段进行在700℃至900℃的温度下的低温碳化和在1000℃的温度下的高温碳化。为此，通常执行使用电炉的工艺。然而，正在研究一种使用利用微波的碳化炉来节省工艺成本和能量的碳纤维碳化工艺。通常，在高温碳化工艺期间，必须在碳纤维周围保持惰性气氛。在高温碳化中，微波由于气氛温度的升高而引起间接加热，并且由于碳纤维本身而引起直接加热。直接/间接加热效果根据碳化炉内加热元件的尺寸、结构和位置而彼此不同。供碳纤维穿过的通道被加热元件密封的结构具有的问题在于微波的直接加热效果不高。

在这方面，需要一种可以增强微波的直接加热效果的碳化工艺。

现有技术文献

(专利文献1)韩国专利公开第2016-0140268号

(专利文献2)日本专利公开申请第2013-002767号

(专利文献3)韩国专利公开第2018-0071184号

技术实现要素：

技术问题

为了解决上述问题而做出本发明，并且本发明的目的是提供一种碳纤维碳化设备，其中，设置在碳化炉内的加热元件的一侧在照射微波的方向上敞开，以在设置有加热元件的位置处同时进行直接加热和间接加热，从而改善微波的直接加热效果。

技术方案

根据本发明的使用微波的碳纤维碳化设备包括：碳化炉，从设置在碳化炉一侧的照射部向碳化炉中照射微波；移动管，碳纤维沿移动管的内部移动穿过移动管，并且移动管安装为穿过碳化炉；以及加热元件，加热元件与移动管的外周表面耦接以吸收微波从而产生热量，其中，移动管的一部分在该位置处被加热元件覆盖，但是其余部分在加热元件耦接到移动管的位置处暴露。

移动管的表面被暴露的部分可以设置为朝向照射微波的照射部。

根据本发明，加热元件可以具有形成有凹槽的形状，该凹槽具有足以允许移动管进入凹槽中的尺寸，并且当移动管进入该凹槽时，移动管的表面可以在凹槽的敞开部分处暴露。

加热元件可以具有多面体形状，并且加热元件的一个表面凹陷以形成凹槽。而且，加热元件可以占据碳化炉的内部体积的1.7％以下。

根据本发明，移动管可以被制造为使得微波被传输。也就是说，从照射部照射的微波的一部分可以通过移动管传输并且直接被吸收到碳纤维，而其它微波可以被吸收到加热元件。

根据本发明，移动管可以由石英制成。由石英制成的移动管可以具有小于0.0003的损耗角正切。

移动管的截面面积可以等于或小于碳化炉的截面面积的5.9％，并且惰性气体可以被注入到移动管中。

而且，照射部可以包括波导，微波通过该波导移动到碳化炉，并且与碳化炉连接的波导的端部设置在指向加热元件的位置处。

有益效果

在根据本发明的碳纤维碳化设备中，微波可以在设置有加热元件的位置处直接被吸收到碳纤维，以进行直接加热，同时，可以通过加热元件的辐射热来进行间接加热。因此，可以有效地进行碳化以改善机械性能，例如弹性、拉伸强度和直径。

根据本发明，移动管的表面被暴露的部分可以设置为在加热元件耦接到移动管的位置处朝向照射微波的照射部，以改善直接加热效果。

由于加热元件具有形成有凹槽的形状，并且凹槽的尺寸足以允许移动管从中穿过，因此加热元件可以容易地耦接到移动管。

根据本发明，移动管可以由石英制成，并且具有小于0.0003的损耗角正切值。也就是说，当损耗角正切值接近零时，微波的透射率可以增加以使被吸收到移动管以加热移动管的微波量最小化。

由于与碳化炉的横截面的截面面积相比，移动管的横截面具有5.9％以下的截面面积，因此可以减少注入到移动管中的惰性气体(氮气等)的量。

附图说明

图1是根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100的剖视图。

图2是根据本发明实施例的碳化炉的平面a的内部剖视图。

图3是根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100的透视图。

图4的(a)和图4的(c)是示出根据本发明实施例的在六面体加热元件30中形成矩形柱状通孔的形状的视图。

图4的(b)和图4的(d)是示出根据本发明实施例的在六面体加热元件30中形成圆柱形通孔的形状的视图。

具体实施方式

本发明的详细描述旨在向本领域技术人员充分解释本发明。在整个说明书中，当描述一个部件包含(或包括或具有)一些元件，或将任何结构和形状定义为“特征”时，除非另有明确说明，否则并不意味着排除其他元件和其他结构和形状，而是意味着包括其他元件、结构和形状。

由于本发明可以具有各种修改的实施例，因此在附图中示出了优选实施例，并且在本发明的具体实施方式中对优选实施例进行了描述。然而，这并不旨在限制根据实施例的本发明的内容，并且应当理解，本发明涵盖了在本发明的思想和技术范围内的所有修改、等同和替换。

图1是根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100的剖视图，图2是根据本发明实施例的碳化炉的平面a的内部剖视图，图3是根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100的透视图，图4的(a)和图4的(c)是示出根据本发明实施例的在六面体加热元件30中形成矩形柱状通孔的形状的视图，并且图4的(a)和4的(c)是示出根据本发明实施例的在六面体加热元件30中形成圆柱形通孔的形状的视图。

根据本发明，使用微波的碳纤维碳化设备100可以包括碳化炉10、移动管20、加热元件30和照射部40。

碳化炉10通过使用微波来执行使碳化炉10内的碳纤维碳化的功能。通常，碳纤维的烧结工艺包括分阶段进行的稳定化工艺、在700℃至900℃的温度下进行的低温碳化工艺以及在1000℃以上的温度下进行的高温碳化工艺。高温碳化工艺可以在根据本发明的碳化炉10中进行。为此，可以在碳化炉10中保持1000℃以上的高温气氛。

另外，在碳化炉10中使用微波的加热中，通过设置在碳纤维周围的加热源(本发明中的加热元件)的辐射热进行的间接加热和通过将微波直接照射到碳纤维以通过纤维本身中的微波反应来均匀加热碳纤维而进行的直接加热同时进行。

惰性气氛对于防止在碳化工艺期间加热碳纤维周围的气氛的过程中发生与碳纤维的任何反应是必不可少的。为此，在本发明中，在碳化炉10内形成惰性气氛。也就是说，移动管20(以及碳化炉10)填充有惰性气体。

另外，在直接加热的情况下，必须将微波直接照射到碳纤维。应当注意，在此描述的术语“直接照射”是指碳纤维的分子被微波振动，因此，温度由于振动引起的摩擦力而升高。

注意，碳化炉10不限于特定的构造，只要碳化炉10充分执行上述功能即可。

在本发明中，碳化炉10具有在其中具有预定空间的圆柱形形状，并且连接成与波导41连通。而且，产生微波的照射部40设置在波导41的相对侧。

移动管20可以提供具有预定形状的通道，以使碳纤维能够在移动管20内移动。

移动管20可以由对于微波具有高透射率的石英制成。在本发明的实施例中，尽管移动管20具有圆柱形形状，但是要注意的是，移动管的形状不限于特定的形状，只要移动管能够执行上述功能即可。然而，根据本发明的移动管具有足够的透射率，以便微波传输通过移动管。当移动管由石英制成时，优选的是，表示微波损失的损耗角正切由于移动管的材料而小于0.0003。

加热元件30可以用于维持碳化工艺期间所需的高温气氛，并且可以在碳化炉10内设置在移动管20的外部。而且，用于执行上述功能的加热元件30可以由碳化硅(sic)制成。加热元件30吸收微波并因此被加热。当被加热时，加热元件30将辐射热辐射到碳纤维以间接加热碳纤维。

此外，加热元件30可以朝着照射微波的方向敞开，使得微波能够直接照射到碳纤维。由于这种结构，可以直接加热碳纤维以改善加热效果。在移动管被碳纤维的所有表面围绕的现有工艺条件时，可以改善诸如弹性、拉伸强度、直径等的机械性能。

根据本发明的实施例的加热元件30可以具有六面体形状，其相应的表面被移动管20穿透，并具有多个表面中的未被移动管20穿透的一个表面是敞开的结构。在本发明中，加热元件30具有形成有凹槽的形状，该凹槽具有足以允许移动管20进入该凹槽中的尺寸。当移动管20进入凹槽时，移动管的表面可以在凹槽的开口部分处暴露。另外，使移动管20的表面暴露的部分设置为面对照射微波的照射部40。

参照图4的(a)、图4的(b)、图4的(c)和图4的(d)，根据本发明的实施例，根据穿过加热元件30的移动管20的形状，加热元件30的通孔可以改变为矩形柱状、圆柱形状、或多面体形状。而且，施加的功率可以根据加热元件30的长度和体积而变化。当加热元件30具有超过7cm的长度，或者加热元件30占据碳化炉10内部的比例超过1.7％时，可能存在这样的问题：高温碳化工艺需要施加更高的功率才能保持1000℃以上的高温。因此，根据本发明的加热元件可以具有7cm以下的长度，并且碳化炉10中被占据的体积比被限制为1.7％以下，从而在整个碳纤维烧结工艺中提高了能量效率。

注意，加热元件30不限于特定的构造，只要加热元件30能够执行上述功能即可。在附图中，尽管加热元件30被示出为具有六面体形状并且其一个表面凹入地凹陷的形状，但是本发明不限于此。例如，加热元件可以具有各种形状，只要加热元件30具有这样的结构：其中，一部分覆盖移动管20的一部分，一部分使移动管20的一部分暴露。

照射部40用于在碳化炉10内产生和照射微波。为此，照射部40可以包括波导41。

照射部40和碳化炉10通过波导41彼此连接。波导用于提供微波移动穿过的通道。

注意，照射部40不限于特定的构造，只要照射部40充分执行上述功能即可。也就是说，可以将磁控管用作照射部40。

作为参考，可以将氮气作为惰性气体注入到移动管20和碳化炉10中，或者仅注入到移动管20中。这里，为了减少氮气的注入量，优选的是，当与碳化炉10的截面面积相比时，移动管20的截面面积被限制为5.9％以下。也就是说，当移动管20的截面面积超过5.9％以上时，氮气的注入量可能增加。因此，随着氮气的注入量增加，间接加热效率也可能变差。而且，耦接到移动管20的加热元件30的尺寸可能增大，从而相对于设备的输出而使效率变差。

<实验例1>

利用了根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100。特别地，使用具有六面体结构的加热元件，在该六面体结构中，多个表面中的除了在碳化炉内供移动管穿过的表面以外的一个表面敞开。敞开的表面朝向照射微波的方向。另外，在实验例1中，使用在碳纤维移动的方向上的长度为1.8cm的加热元件。

<实验例2>

利用了根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100。特别地，使用具有六面体结构的加热元件，在该六面体结构中，多个表面中的除了在碳化炉内供移动管穿过的表面以外的一个表面敞开。敞开的表面朝向照射微波的方向。而且，在实验例2中，使用在碳纤维移动的方向上的长度为5cm的加热元件。

<实验例3>

利用了根据本发明实施例的使用微波的碳纤维碳化设备100。特别地，使用具有六面体结构的加热元件，在该六面体结构中，多个表面中的除了在碳化炉内供移动管穿过的表面以外的一个表面敞开。敞开的表面朝向照射微波的方向。而且，在实验例3中，使用在碳纤维移动的方向上的长度为6.8cm的加热元件。

<比较例>

在比较例中，使用了具有六面体结构的加热元件，在该六面体结构中，除了在使用微波的碳化炉内供移动管穿过的表面外，所有四个表面均被密封。另外，在比较例中，使用在碳纤维移动的方向上的长度为1.8cm至12cm的加热元件。

此外，为了比较由于加热元件30的结构变化所引起的碳化工艺的结果，根据比较例和实施例1至实施例3的碳纤维在电炉中进行了低温碳化工艺后，移动到碳化炉10。将sic加热元件用作加热元件30，并且将碳化炉10的内部平均保持在1100℃至1200℃的温度。

[表1]

当参照表1比较根据实验例1、实验例2和比较例的机械性能时，在实验例1中，与比较例相比，碳纤维的弹性增加了12.7％，并且碳纤维的直径因碳化反应引起的收缩而减小了5.8％。而且，在实验例2中，与比较例相比，碳纤维的弹性提高了14.2％，碳纤维的拉伸强度提高了4.7％，并且碳纤维的直径减小了6.2％。因此，当从结果判断时，可以看出，通过改变根据本发明的加热元件30的结构，微波的直接加热效果增加，因此，所得的碳纤维因直径减小率的增加以及弹性和拉伸强度的增加而在机械性能上得到改善。

[表2]

参照表2，在实验例1至实验例3中，尽管sic加热元件的长度和体积比不同，但是可以看出，当体积比为1.7％以下时，需要相似的功率以维持高温碳化气氛。另一方面，可以看出，在比较例中，由于体积比超过1.7％，因此与实施例1至实施例3相比，需要更大的功率来维持高温碳化气氛。可以看出，随着加热元件30的长度增加和体积比增加，在高温碳化气氛中维持石英内部温度所施加的功率增大。可以看出，在一定长度(7cm)和体积比(1.7％)下将石英内的温度保持为高温碳化气氛所需的功率是相似的。

尽管已经描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变型。