一种微波碳化装置及碳纤维两步碳化系统的制作方法

本技术属于碳纤维制备，具体涉及一种微波碳化装置及碳纤维两步碳化系统。

背景技术：

1、碳纤维(cf)由于其轻质特性和良好的物理性能，如良好的机械、热和电性能，在航空航天工程、车辆制造和建筑中是一种有吸引力的材料。大多数cf是使用聚丙烯腈(pan)前体制造的，因为基于pan的cf比其他低成本前体(如纺织级pan和木质素)具有更强性能。pan基前体在氧化气氛中经历氧化稳定过程，然后在惰性气氛中经历碳化过程以转化为cf。由于cf工艺需要高水平的热能，特别是稳定和碳化，占总生产成本的45％，因此正在研究替代工艺以降低cf工艺成本。

2、碳化过程中纤维的重量减半，影响碳化质量的因素有：温度梯度分布、排污位置与方式、保护气组合、用量及方向、热处理时间长短、张力大小、炉内压差、纤维进出口气封效果等等。300-800℃时，预氧化纤维结构变化剧烈，小分子副产物大量脱除，这时易产生结构缺陷，甚至导致纤维断裂，尤其以550-800℃反应最为剧烈，这时应严格控制升温速度，低碳阶段应限制纤维收缩，或是想办法减缓此阶段的反应和控制孔隙率。

3、微波是电磁波的频率范围从300mhz到300ghz的。当微波辐射到材料中时，材料温度可以通过偶极极化或界面极化直接升高，或通过材料周围等离子体放电的热传递间接升高。由于传热路径的减少，与传统加热相比，微波加热可以成为一种更快速、更节能的加热方法。

4、在碳纤维工艺方面，橡树岭国家实验室首次提出了用于cf制造的微波辅助等离子体碳化工艺的概念。然而，关于使用微波碳化制造的碳纤维的可行性和特性的研究报道很少。

5、因此，目前亟需研究一种可用于聚丙烯腈微波碳化工艺的微波碳化装置。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种微波碳化装置及碳纤维两步碳化系统，其加热均匀、加热效率高，能够实现高性能均质化碳纤维的生产。

2、本实用新型是通过以下技术方案实现的：

3、本实用新型的第一个方面，提供一种微波碳化装置，包括设备外架，所述设备外架内设置有多温区可控腔室；

4、所述多温区可控腔室下方设有微波发生器。

5、本实用新型的进一步改进在于：

6、所述多温区可控腔室包括加热管，沿所述设备外架的长度方向设置于所述设备外架内，所述加热管的中心轴线与所述设备外架的中心轴线相平行。

7、本实用新型的进一步改进在于：

8、所述加热管为一个长方形的加热管，沿长度方向在所述加热管内设置一个横向隔板形成两个长方形腔室，然后分别在两个所述长方形腔室内设置两个竖向移动隔板，总共形成六个温区分腔。

9、本实用新型的进一步改进在于：

10、所述加热管内壁设有多个相平行的导轨，所述导轨的方向与所述加热管的中心轴线相垂直；

11、所述竖向移动隔板插入到导轨内，通过插销式结构实现竖向移动隔板在加热管内的可拆卸连接。

12、本实用新型的进一步改进在于：

13、所述竖向移动隔板的中间部分设有长条孔。

14、本实用新型的进一步改进在于：

15、六个温区分腔下方均设有所述微波发生器；

16、所述微波发生器包括固定在所述设备外架内壁上的磁控管，所述磁控管上连接有波导，所述磁控管产生微波后经所述波导传入所述温区分腔内。

17、本实用新型的进一步改进在于：

18、每个温区分腔上均设置有温度检测系统，所述温度检测系统包括设置在竖向移动隔板上的红外测温探头，所述红外测温探头上连接有荧光光纤。

19、本实用新型的第二个方面，提供一种碳纤维两步碳化系统，根据碳纤维处理顺序，包括依次设置的上述微波碳化装置和高温碳化炉。

20、本实用新型的进一步改进在于：

21、该系统还包括设置在微波碳化装置前端的纤维处理系统。

22、本实用新型的进一步改进在于：

23、微波碳化装置和高温炭化炉之间设置的纤维处理系统。

24、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

25、本实用新型微波碳化装置，通过在设备外架内设置有多温区可控腔室，各个温区分腔下方均设置微波发生器，可独立控制各温区分腔的微波馈入量和电磁场分布模式，同时可以根据实际作业条件进行各温区分腔的温度控制，用于控制高性能碳纤维结构的均一性。

26、本实用新型微波碳化装置，加热均匀、加热效率高，能够实现高性能均质化碳纤维的生产。

技术特征：

1.一种微波碳化装置，其特征在于，包括设备外架，所述设备外架内设置有多温区可控腔室；

2.根据权利要求1所述的微波碳化装置，其特征在于，所述多温区可控腔室包括加热管，沿所述设备外架的长度方向设置于所述设备外架内，所述加热管的中心轴线与所述设备外架的中心轴线相平行。

3.根据权利要求2所述的微波碳化装置，其特征在于，所述加热管为一个长方形的加热管，沿长度方向在所述加热管内设置一个横向隔板形成两个长方形腔室，然后分别在两个所述长方形腔室内设置两个竖向移动隔板，总共形成六个温区分腔。

4.根据权利要求3所述的微波碳化装置，其特征在于，所述加热管内壁设有多个相平行的导轨，所述导轨的方向与所述加热管的中心轴线相垂直；

5.根据权利要求3所述的微波碳化装置，其特征在于，所述竖向移动隔板的中间部分设有长条孔。

6.根据权利要求3所述的微波碳化装置，其特征在于，六个温区分腔下方均设有所述微波发生器；

7.根据权利要求3所述的微波碳化装置，其特征在于，每个温区分腔上均设置有温度检测系统，所述温度检测系统包括设置在竖向移动隔板上的红外测温探头，所述红外测温探头上连接有荧光光纤。

8.一种碳纤维两步碳化系统，其特征在于，根据碳纤维处理顺序，包括依次设置的权利要求1-7任一项所述的微波碳化装置和高温碳化炉。

9.根据权利要求8所述的碳纤维两步碳化系统，其特征在于，所述系统还包括设置在微波碳化装置前端的纤维处理系统。

10.根据权利要求8或9所述的碳纤维两步碳化系统，其特征在于，所述微波碳化装置和高温炭化炉之间设置的纤维处理系统。

技术总结
本技术提供了一种微波碳化装置及碳纤维两步碳化系统，属于碳纤维制备技术领域。本技术微波碳化装置，包括设备外架，所述设备外架内设置有多温区可控腔室，所述多温区可控腔室下方设有微波发生器，可独立控制各温区分腔的微波馈入量和电磁场分布模式，同时可以根据实际作业条件进行各温区分腔的温度控制，用于控制高性能碳纤维结构的均一性。其加热均匀、加热效率高，能够实现高性能均质化碳纤维的生产。

技术研发人员：肖士洁,沈志刚,陈亮,马雷
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：20221028
技术公布日：2024/1/13