一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108560081A(43)申请公布日2018.09.21(21)申请号201810536653.X(22)申请日2018.05.30(71)申请人中国科学院宁波材料技术与工程研究所地址315201浙江省宁波市镇海区庄市大道519号(72)发明人钱鑫张永刚王雪飞宋书林(74)专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司33224代理人刘诚午(51)Int.Cl.D01F9/12(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法(57)摘要本发明公开了一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法，其中，高强度高模量碳纤维的制备系统包括碳纤维丝束依次进入的低温石墨化装置与高温石墨化装置；低温石墨化装置与高温石墨化装置均设有丝束通道，沿丝束通道方向设有石墨发热体；低温石墨化装置中的石墨发热体长度为50-100cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2000-2300℃；高温石墨化装置中的石墨发热体长度为100-200cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2400-2800℃。利用本发明，使用低温、高温石墨化两系统对碳纤维进行石墨化处理，通过低温、高温石墨化的工艺参数设计与调控，在稳定提高碳纤维拉伸模量的同时，保证石墨化处理中纤维具有较高的强度保留率，从而获得高拉伸强度高拉伸模量碳纤维。CN108560081ACN108560081A权利要求书1/1页1.一种高强度高模量碳纤维的制备系统，其特征在于，包括碳纤维丝束依次进入的低温石墨化装置与高温石墨化装置；所述低温石墨化装置与高温石墨化装置均设有丝束通道，沿丝束通道方向设有石墨发热体；所述低温石墨化装置中的石墨发热体长度为50-100cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2000-2300℃；所述高温石墨化装置中的石墨发热体长度为100-200cm，对碳纤维丝束的石墨化温度为2400-2800℃。2.根据权利要求1所述的高强度高模量碳纤维的制备系统，其特征在于，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置中的石墨发热体均有两个，对称固定于丝束通道外。3.根据权利要求1或2所述的高强度高模量碳纤维的制备系统，其特征在于，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置的石墨发热体外设有保温层。4.根据权利要求1所述的高强度高模量碳纤维的制备系统，其特征在于，所述低温石墨化装置与高温石墨化装置在丝束通道的进、出口处设有保护气入口。5.一种高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的高强度高模量碳纤维的制备系统进行处理，包括：(1)碳纤维丝束首先进入低温石墨化装置在惰性气氛下进行低温石墨化处理，石墨化处理温度为2000-2300℃；(2)然后进入高温石墨化装置在惰性气氛下进行高温石墨化处理，石墨化处理温度为2400-2800℃，收丝后得到高强度高模量碳纤维。6.根据权利要求5所述的高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳纤维丝束采用干法、湿法和干喷湿纺的一种或多种方法制备得到。7.根据权利要求5所述的高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，低温石墨化处理时间为10-90s，总牵伸倍率2-6％。8.根据权利要求5所述的高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高温石墨化处理时间为10-120s，总牵伸倍率3-9％。9.根据权利要求5所述的高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中惰性气氛为高纯氩气、氮气或两者的混合气。2CN108560081A说明书1/5页一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法技术领域[0001]本发明属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种高强度高模量碳纤维的制备系统及方法。背景技术[0002]高强度高模量碳纤维具有拉伸强度高、拉伸模量高、热膨胀系数小、耐腐蚀、抗疲劳、导电等一系列优点，因此在航空、航天、民用等各个领域均获得广泛应用。高强度高模量碳纤维是在碳纤维基础上经过高温石墨化处理制备得到，因而石墨化处理成为制备高强度高模量碳纤维关键工艺之一。[0003]目前国内外的现有技术中，高强度高模量碳纤维的石墨化处理过程往往是由单温区的高温石墨化系统组成，采用石墨化炉对碳纤维直接进行高温石墨化处理一段时间。[0004]申请人通过大量的调查研究发现，碳纤维在石墨化处理过程中经历了破坏-重构-增长过程，即碳纤维在低于一定温度(通常2300℃)时，碳纤维乱层石墨结构首先发生破坏，纤维体密度大幅下降，当石墨化温度继续提高时，纤维破坏结构会发生重构，纤维体密度逐渐上升，而随石墨化温度进一步升高，重构后的石墨化结构出现有序增长，其纤维体密度也大幅提高。由于目前国内外的现有技术在制备高强度高模量碳纤维时只采用单温区的