專利名稱：高模量碳纖維及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維及其制造方法，特別涉及一種高模量碳纖維及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳纖維因為具有低比重、高抗張強度、高模量、高導電性、高熱導等一系列的優(yōu)良特性，還具有纖維的柔性可編織特性的優(yōu)點。其中，高強度高模量的特殊碳纖維，被廣泛應(yīng)用于建筑、航空、軍事的新型增強復合材料。碳纖維原料種類相當多，如嫘縈(Rayon)、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、浙青(pitch)等。目前主要使用的碳纖維采用聚丙烯腈(PAN)為原料，其碳纖維的強度等力學特性優(yōu)良，品質(zhì)性能均勻且可穩(wěn)定制造。通常，利用X射線衍射(XRD)與拉曼光譜(Raman)對PAN碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)進行了解，并研究其對碳纖維機械性能的影響。在XRD分析中，主要由石墨相峰值半高寬β判斷石墨層結(jié)晶面(002)的堆疊厚度(結(jié)晶厚度)，一般以Lc表示，關(guān)系式如公式(1)，K為形狀因子，λ為X射線波長，θ為散射角。Lc = KX/β cos θ公式(1)Lc越高代表石墨層堆疊數(shù)越多，纖維結(jié)構(gòu)越緊密。理論上和實際商品驗證均指出， 石墨層結(jié)晶厚度Lc越大，碳纖維的拉伸模量越高。在碳纖維Raman分析中，均會出現(xiàn)G峰( 1580cm-1)與D峰( 1350cm-1)。G峰信號為石墨片層平面內(nèi)石墨結(jié)晶分子SP2的伸縮振動所提供，而D峰則為石墨片層邊緣碳原子振動所致，也代表不完善的石墨結(jié)構(gòu)。而石墨化程度(R)，可以用特征峰強度之比來計算，如公式(2)所示。R = ID/IG公式 O)R越小表示石墨化程度越高。此外R值與碳纖維石墨層大小(結(jié)晶寬度)La具有如公式(3)所示的關(guān)系。La = 44 X R"1公式(3)理論上，La越大代表石墨化程度好，晶粒寬度大，沿纖維軸向方向的晶界也越大， 但這也有可能使裂紋越容易傳播，或是晶體內(nèi)部缺陷含量提高等因素導致拉伸強度降低。如表1所示，以Toray-T300系統(tǒng)為處理碳纖，當石墨化制程溫度提高時 (2400-3000°C )，碳纖維石墨層結(jié)晶厚度Lc與結(jié)晶長度La隨溫度增加會同時成長。衍生的機械性質(zhì)的變化拉伸模量隨著Lc成長而提高，但拉伸強度卻會隨La增長而降低。[表1]表1 隨著溫度提高，PAN碳纖維的La、Lc、強度、模量變化
制程溫度Lc(nm)La(nm)拉伸模量A^a拉伸強度/GI3a
權(quán)利要求
1.一種高模量碳纖維，包括下述步驟所得的產(chǎn)物對預(yù)氧化碳纖維進行微波輔助加熱石墨化制程，其中，該微波輔助加熱石墨化制程在 1-30分鐘內(nèi)使該預(yù)氧化碳纖維溫度提高到石墨化溫度1000-3000°C。
2.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該預(yù)氧化碳纖維包括下述步驟所得的產(chǎn)物對碳纖維材料進行預(yù)氧化，其中，預(yù)氧化溫度控制在200 300°C，預(yù)氧化時間控制在 60-240 分鐘。
3.如權(quán)利要求2所述的高模量碳纖維，其中，該碳纖維材料包含聚乙烯醇、偏氯乙烯、 浙青、聚丙烯腈、或其組合。
4.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該微波輔助加熱石墨化制程利用微波輔助吸收材料，以集中場強并提供預(yù)熱。
5.如權(quán)利要求4所述的高模量碳纖維，其中，該微波輔助吸收材料包括石墨化物、氮化物、石墨、磁性化合物、介電陶瓷、離子化合物、或其組合。
6.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該微波輔助加熱石墨化制程在惰性氣體氣氛中進行。
7.如權(quán)利要求6所述的高模量碳纖維，其中，該惰性氣體氣氛包含氮氣、氬氣、氦氣、或其組合。
8.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該微波輔助加熱石墨化制程的升溫速率為 0. 5-2000C / 秒。
9.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該微波輔助加熱石墨化制程使用高頻率電場產(chǎn)生微波，該微波頻率為300-30，OOOMHz，微波功率密度為0. l_300kW/m2。
10.如權(quán)利要求1所述的高模量碳纖維，其中，該高模量碳纖維的抗張強度為 2. 0-6. 5GPa，而模量范圍為200 650GPa。
11.一種高模量碳纖維，其中，該高模量碳纖維的石墨層排列的結(jié)晶厚度(Lc)與結(jié)晶長度(La)具有下述限制條件19A<Lc<70A、35A<La<60A以及(Lc-19)>= 2. 5 (La-40)。
12.—種高模量碳纖維的制造方法，包括對預(yù)氧化碳纖維進行微波輔助加熱石墨化制程，其中，該微波輔助加熱石墨化制程在 1-30分鐘內(nèi)使該預(yù)氧化碳纖維溫度提高到石墨化溫度1000-3000°C。
13.如權(quán)利要求12所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該預(yù)氧化碳纖維包括下述步驟所得的產(chǎn)物對碳纖維材料進行預(yù)氧化，其中，預(yù)氧化溫度控制在200 300°C，預(yù)氧化時間則控制在60-240分鐘。
14.如權(quán)利要求13所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該碳纖維材料包含聚乙烯醇、偏氯乙烯、浙青、聚丙烯腈、或其組合。
15.如權(quán)利要求12項所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該微波輔助加熱石墨化制程利用微波輔助吸收材料，以集中場強并提供預(yù)熱。
16.如權(quán)利要求15所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該微波輔助吸收材料包括 石墨化物、氮化物、石墨、磁性化合物、介電陶瓷、離子化合物、或其組合。
17.如權(quán)利要求12項所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該微波輔助加熱石墨化CN 102534866 A制程在惰性氣體氣氛中進行。
18.如權(quán)利要求17所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該惰性氣體氣氛包含氮氣、 氬氣、氦氣、或其組合。
19.如權(quán)利要求12所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該微波輔助加熱石墨化制程的升溫速率為0. 5-2000C /秒。
20.如權(quán)利要求12所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該微波輔助加熱石墨化制程使用高頻率電場產(chǎn)生微波，該微波頻率為300-30，000MHz，微波功率密度為0. l-300kff/2m ο
21.如權(quán)利要求12所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該高模量碳纖維的石墨層排列的結(jié)晶厚度(Lc)與結(jié)晶長度(La)具有下述限制條件19A<Lc<70A、35A<La<60A 以及(Lc-19 A)/(La-40 A)=2.5。
22.如權(quán)利要求12所述的高模量碳纖維的制造方法，其中，該高模量碳纖維的抗張強度為2. 0-6. 5GPa，而模量范圍為200_650GPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高模量碳纖維及其制作方法，其包含下述步驟所得到的產(chǎn)物對預(yù)氧化碳纖維進行微波輔助加熱石墨化制程，其中，該微波輔助加熱石墨化制程在1-30分鐘內(nèi)使該預(yù)氧化碳纖維溫度提高到石墨化溫度1000-3000℃。本發(fā)明所述的高模量碳纖維的抗張強度可達到2.0-6.5GPa，模量可達到200-650GPa。
文檔編號D01F9/22GK102534866SQ20101059355
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者劉怡彣, 王智永, 鄭世裕, 鄭淑蕙, 陳中屏 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院