碳纤维碳化、石墨化工艺中等离子体技术的应用.pptVIP

碳纤维碳化、石墨化工艺中等离子体技术的应用 主 要 内 容 一、碳纤维简介 二、碳纤维生产流程及原理 三、碳纤维高温热处理技术研究进展 四、等离子体技术在碳化、石墨化工艺中的应用 五、几个问题的思考 一、碳纤维简介 碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。碳原子结构最规整排列的物质是金刚石，碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差，具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性能。 1.2 主 要 性 能 高比强度、高比模量 耐高温，使用温度2000℃。在3000 ℃非氧化气氛中不融不软 耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 热膨胀系数小，约等于零 热导率高，约为10～140W/(m 。K) 摩擦系数小,有自润滑作用。 导电性好 二、碳纤维生产流程及原理 2.3预氧丝的碳化过程 2.3.1碳化过程的深层次原理 2.4石墨化过程 石墨化指在高的热处理温度下由无定型、乱层结构的碳材料向三维石墨结构转化。高温技术和高温设备是生产石墨纤维的核心条件。 目前高性能石墨纤维的工业化生产并形成系列产品的国家是日本与美国。其中日本东丽公司石墨纤维的产量居世界首位，MJ系列碳纤维由该公司开发的既高强又高模的新一代碳纤维，高模型碳纤维(石墨纤维)M30、M40、M46、M50、M60等。M65J型PAN基碳纤维的抗拉强度为3.63GPa，抗拉模量达到640GPa，代表现今PAN基石墨纤维的最高水平。 2.4.1石墨化工艺影响因素 2.4.1.1石墨化温度 石墨化速度与温度的关系可用下式描述， A-活化能常数，R-气体常数，T-绝对温度，K-石墨化速度常数，从上式可知，石墨化温度越高，石墨化速度越快。提高碳纤维模量的技术措施是在2600~3000℃牵伸石墨化。同时石墨化炉的炉膛温度与炉外壁温度差尽量控制在80~170℃。 2.4.1.2石墨化时间 石墨化过程时间t与石墨化程度G、速度常数K之间关系以下式表示： 对于碳纤维来说，石墨化时间t在几秒至数十秒。 2.4.1.3 牵伸张力 牵伸石墨化有利于择优取向。在一定的温度和应力下，材料随时间变化产生塑性形变的现象称为蠕变。碳材料通常在2000℃以上产生塑性变形，PAN纤维是一种线性分子，经1000~1500℃碳化后的PAN基CF中存在着大量互相交织和皱折的石墨微晶条带，这些微晶条带在1800℃以上高温牵伸热处理过程中会产生塑性形变。在石墨化温度下，利用其塑性变形消除和转移微纤之间的交联，使其解皱和解结，使石墨微晶发生位移、重排与取向，从而使杨氏模量得到提高。但是，一般只需施加较小的张力，以保持不收缩或略伸长为原则，牵伸对模量的影响大于对强度的影响。正牵伸比负牵伸的效果好，同一牵伸率，热处理温度越高，杨氏模量越大。W.Johnson在2700℃下牵伸27%后，模量从419GPa 提高到669GPa。 2.4.1.4 惰性气体流速流向流量 石墨化过程的保护性气体选用高纯氩气，也可以用氦气。防止微量氧气混入炉内。有文献指出即使在较低的氧气流量条件下，也足以实现连续脱除石墨纤维中的小分子层并导致严重的腐蚀。 2.4.1.5石墨化压力 在超高温度下，石墨与碳的蒸气压较高，见表1。在这种高温条件下碳纤维表面的碳可能蒸发，碳纤维失重。同时也导致石墨发热体的使用寿命缩短，纤维表面还可能产生不均匀的缺陷(与上述的分析一致)，从而强度降低。有生产数据表明：石墨化炉内压力达到2个大气压后，碳纤维强度可提高，在3000℃时，石墨化炉使用寿命达到120h，石墨化炉内压力达到3个大气压后，石墨化炉使用寿命达到264h。 三、碳纤维高温热处理技术研究进展 高温热处理技术是影响碳纤维石墨化的关键因素， 对碳纤维微观结构的变化和宏观力学性能的提高有着重要的影响。石墨纤维的抗拉模量与碳纤维的石墨化程度密切相关，通过石墨化，碳纤维能进一步脱除杂质，同时碳原子进行类石墨结构的排列，在微观上由二维乱层石墨结构向三维有序结构转变，从而使碳纤维的模量得以提高。如何提高碳纤维的石墨化程度以及在温度一定的条件下提高碳纤维的抗拉模量和抗拉强度成为研究者关注的热点。 3.1高温石墨化 碳纤维经碳化后，已经除去了绝大部分的非碳杂质并具有石墨状的结构， 进一步在 2000℃以上的高温下进行热处理并不显著减少碳纤维的重量但能改善微晶的序态和沿纤维轴的取向， 使碳纤维在微观结构上由二维乱层石墨结构向三维有序结构转变 ，从而使碳纤维具有较高的抗拉模量。石墨化所需时间很短 ，一般为几十秒或几分钟即可 。