本发明属于纤维材料制备领域，涉及一种高强高模碳纤维及其制备方法。
背景技术：
1、聚丙烯腈基碳纤维具有优异的性能，可满足航空航天装备结构轻量化、高强度、高刚度、尺寸稳定性和功能/结构一体化的需求，是飞行器、卫星等各级主次结构的核心关键材料，更是未来航空航天材料发展的重点。
2、目前，聚丙烯腈基碳纤维主要经过了两代发展，支撑了第一、二代先进复合材料的发展，第一代碳纤维以高强标模型t300、t700、as4、as7等型号为代表，强度约在3530-4900mpa，模量约在230-248gpa，层间剪切强度≥100mpa，第二代碳纤维以高强中模型的t800、im7、im8等型号为代表，强度约在5500-6100mpa，模量约在276-305gpa，层间剪切强度≥100mpa，与第一代相比，第二代产品拉伸强度、拉伸模量平均提升程度超过20％，层间剪切强度相当，实现了复合材料减重10-15％，装备性能得到显著提升。近年来，随着我国碳纤维制备技术的不断进步，已先后突破了第一、二代碳纤维的工程化制备技术，支撑了我国高端装备的应急需求，但随着装备升级换代的需求，对第三代高强高模型碳纤维提出了迫切需求。目前高强型碳纤维拉伸强度已达到7000mpa，高模型碳纤维拉伸模量达到640gpa，但传统高模量碳纤维采用提升碳化(石墨化)温度的方法，在拉伸模量提升的同时，往往造成拉伸强度的下降，同时高温造成石墨化程度提升，层间剪切强度降低，限制了其应用，如m40j级碳纤维模量377gpa，拉伸强度4410mpa，层间剪切强度80gpa，m55级碳纤维模量540gpa，拉伸强度4020mpa，层间剪切强度65gpa，因此较第二代t800级碳纤维拉伸强度、拉伸模量提升20％以上，层间剪切强度与t800级碳纤维相当(≥100mpa)的第三代碳纤维仍存在亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强高模碳纤维及其制备方法，采用该方法可以制备得到拉伸强度7000-7700mpa，拉伸模量350-390gpa的碳纤维。
2、本发明的一个方面，本发明提出了一种高强高模碳纤维，所述碳纤维的拉伸强度为7000-7700mpa，拉伸模量350-390gpa。
3、进一步地，所述碳纤维的层间剪切强度≥100mpa。
4、在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备碳纤维的方法，包括：(1)将丙烯腈、衣康酸、偶氮二异丁腈和二甲基亚砜混合进行聚合，聚合结束后，经过氨化、脱单、脱泡、过滤得到丙烯腈共聚物纺丝原液；(2)将所述丙烯腈共聚物纺丝原液经喷丝、一级凝固、二级凝固、三级凝固、常压水蒸汽牵伸、水洗、上油、干燥致密化、高压饱和水蒸汽牵伸和热定型，得到聚丙烯腈原丝，所述原丝单丝纤度为0.5-0.8dtex，晶区取向度91-94％；(3)将所述聚丙烯腈原丝进行预氧化和碳化，得到碳纤维，所述预氧化后纤维氧含量6wt％-8wt％。
5、进一步地，在步骤(1)中，所述丙烯腈与衣康酸摩尔比为100：(0.5-0.8)，聚合反应温度控制在60-70℃，反应时间12-30小时，所述丙烯腈共聚物纺丝原液45℃下旋转粘度为60-80pa.s，特性粘度为1.65-1.95dl/g。
6、进一步地，在步骤(2)中，所述喷丝采用干喷湿纺的方法，所述凝固过程包括一级凝固、二级凝固和三级凝固，所述一级凝固过程的一级凝固浴温度为0-40℃，所述一级凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中所述二甲基亚砜水溶液中二甲基亚砜体积含量为65-75％，一级凝固牵伸倍率为2.5-4.0；所述二级凝固过程二级凝固浴温度为50-70℃，所述二级凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中所述二甲基亚砜水溶液中二甲基亚砜体积含量为30-45％，二级凝固牵伸倍率为1.2-2.0；所述三级凝固过程的三级凝固浴温度为55-75℃，所述三级凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中所述二甲基亚砜水溶液中二甲基亚砜体积含量为10-20％，三级凝固牵伸倍率为1.2-2.0，所述三级凝固后纤维晶区取向度为55-65％。
7、进一步地，在步骤(2)中，所述常压水蒸汽牵伸在95-100℃水蒸汽中进行牵伸，牵伸倍率为3.5-6；控制纤维晶区取向度为75-85％。
8、进一步地，在步骤(2)中，所述高压饱和水蒸汽牵伸压力为0.4-0.8mpa，牵伸倍率为2.5-6，控制纤维晶区取向度为91-95％。
9、进一步地，所述热定型温度为180-210℃，时间为1-5s，牵伸倍率为1.0-1.1。
10、进一步地，在步骤(3)中，所述预氧化包括3-6个逐级升温温区，超始温区温度为210-230℃，终止温区温度230-260℃，时间30-90分钟。
11、进一步地，在步骤(3)中，所述碳化包括一级碳化、二级碳化、三级碳化和四级碳化，其中：所述一级碳化，在高纯氮气气氛中进行，一级碳化起始温度300-400℃，终温为450-500℃，时间2-4分钟，牵伸倍率为所述一级碳化过程极限牵伸倍率的75-90％；所述二级碳化，在高纯氮气气氛中进行，所述二级碳化温度为600-800℃，时间3-6分钟，牵伸倍率为极限牵伸倍率；所述三级碳化，在高纯氮气氛中进行，所述三级碳化，超始温度900-1000℃，终止温度为1100-1200℃，时间为3-6分钟，牵伸倍率为极限牵伸倍率；所述四级碳化，在高纯氮气氛中进行，所述四级碳化温度为1400-1700℃，时间3-6分钟，牵伸倍率为极限牵伸倍率。
12、与现有技术相比，本发明具有如下效果：
13、本发明的方法，通过逐级控制纺丝凝固、常压水蒸牵伸和高压饱和蒸汽牵伸工序的条件来提升原丝纤度和取向度，促进碳纤维取向提升，可以在较低碳化温度得到高取向的高模量碳纤维。控制预氧纤维的氧含量，可以保证预氧纤维足够的热稳定性，保证碳化时纤维的维形能力，同时，不会因为过多的氧而产生过多的固碳作用，减少碳化后无定型碳比例，促进石墨碳比例提升，有利于拉伸强度和拉伸模量的提升。预氧化纤维在碳化过程不同温度下的化学结构不同，可承受应力极限不同，可牵伸性不同，主要可分为(1)线性分子链段和少环预氧梯形结构裂解阶段，(2)多元梯形结构发生缩合形成晶核的阶段，(3)氮氧元素快速脱除阶段，(4)石墨微晶快速生长阶段，在碳化四个关键化学反应阶段，通过各阶段极限牵伸倍率来限定实际牵伸倍率，在保证纤维没有起毛断丝的前题下，最大限度的促进石墨微晶生长和取向，提升纤维拉伸模量，同时，多级梯度碳化温度、时间、牵伸的匹配，可以实现石墨微晶细晶化，在提升模量的同时，保证纤维的高拉伸强度和高层间剪切强度。最终可得到拉伸强度为7000-7700mpa，拉伸模量350-390gpa，层间剪切强度≥100mpa的碳纤维，与目前第二代t800级碳纤维相比，拉伸强度和拉伸模量同步提升20％以上，层间剪切强度相当，有望实现我国高端装备减重10-15％，进一步提升我国高端装备性能。
1.一种高强高模碳纤维，其特征在于，所述碳纤维的拉伸强度7000-7700mpa，拉伸模量350-390gpa。
2.根据权利要求1所述的高强高模碳纤维，其特征在于，所述碳纤维的层间剪切强度≥100mpa。
3.一种制备权利要求1或2所述高强高模碳纤维的方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述丙烯腈与衣康酸摩尔比为100：(0.5-0.8)，聚合反应温度控制在60-70℃，反应时间12-30小时，所述丙烯腈共聚物纺丝原液45℃下旋转粘度为60-80pa.s，特性粘度为1.65-1.95dl/g。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述喷丝采用干喷湿纺的方法，所述凝固过程包括一级凝固、二级凝固和三级凝固，所述一级凝固过程的一级凝固浴温度为0-40℃，所述一级凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中所述二甲基亚砜水溶液中二甲基亚砜体积含量为65-75％，一级凝固牵伸倍率为2.5-4.0；
6.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述常压水蒸汽牵伸在95-100℃水蒸汽中进行牵伸，牵伸倍率为3.5-6；控制纤维晶区取向度为75-85％。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述高压饱和水蒸汽牵伸压力为0.4-0.8mpa，牵伸倍率为2.5-6，控制纤维晶区取向度为91-95％。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热定型温度为180-210℃，时间为1-5s，牵伸倍率为1.0-1.1。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述预氧化包括3-6个逐级升温温区，超始温区温度为210-230℃，终止温区温度230-260℃，时间30-90分钟。
10.根据权利要求3或9所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述碳化包括一级碳化、二级碳化、三级碳化和四级碳化，其中：