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石墨纤维:设备和工艺是关键

墨玉
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楼主 发表于:2019-04-15 08:54:20
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石墨纤维,分子结构已石墨化、含碳量高于99%的具有层状六方晶格石墨结构的纤维。石墨纤维是我国新材料领域重点发展的一类材料,其关键制备技术长期被国外掌控。近年来,我国在石墨纤维的关键制备技术方面也取得了一些进展。


日本东丽(Toray)公司碳纤维的产量稳居世界首位,其M70J型PAN基石墨纤维的拉伸强度为3.4GPa,拉伸模量达到690GPa,代表了当下聚丙烯腈(PAN)基石墨纤维系列的最高水平。石墨纤维的核心技术在于石墨化装备以及石墨化工艺。


  • 石墨化设备对比


石墨化装备的关键是碳纤维进行超高温热处理的高效性。


国内外现有石墨化装备的优缺点及产业化程度



  • 石墨化工艺


石墨化工艺的关键是纤维结构择优演变的有效控制。


①温度对碳纤维石墨化的影响


温度是影响碳纤维石墨化的主要因素,2200℃是碳纤维石墨化的敏感温度,在这一温度下碳纤维基本完成脱氮过程,各项微晶结构参数发生显著变化。不同温度场下,碳纤维吸收热量的情况不同,影响微观结构的演变进程,最终会导致石墨化程度及纤维性能有一定差异。


刘福杰等研究了分步热处理对石墨纤维微观结构及性能的影响。研究表明分步热处理有利于石墨纤维拉伸强度及体密度的提升,但是对于模量的影响较小,纤维内部石墨化程度较高,整体石墨化均质性较好,有利于提高纤维的致密性及均质性,保证模量提高的同时纤维的拉伸强度亦提高,对于制备高强高模型石墨纤维有很大的指导意义。


②热处理时间对碳纤维石墨化的影响


研究热处理时间旨在掌握石墨化进程,在保证石墨纤维质量的同时尽量缩短热处理时间,以节省能源消耗。


③牵伸力对碳纤维石墨化的影响


研究表明以不同的牵伸力进行石墨化处理,发现随着牵伸力的增大,纤维的取向度显著提升,使纤维结构由无序趋向于有序,促进空隙扩散、弥合,晶格排列更为完善,在适当的温度下采用一定的牵伸力可以改善碳纤维的微观结构,提高拉伸强度和模量。


④γ射线辐射对碳纤维力学性能的影响


γ射线作为一种高能物质,与碳纤维的相互作用促进石墨化进程,在全面把握作用机理下采用合适的辐射工艺条件,碳纤维石墨化后的力学性能可以达到一定的水平。


⑤催化剂对碳纤维石墨化的促进作用


大量研究表明硼原子对碳纤维石墨化过程有很强的促进作用,降低了纤维热膨胀系数,提高了其抗氧化性能。但是碳纤维石墨微晶结构十分复杂,硼原子的催化作用对纤维力学性能影响原因还未探明。


  • 国内石墨纤维关键制备技术进展


2015年5月,宁波材料所特种纤维事业部制备得到M50J石墨纤维,拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa。


2016年1月,宁波材料所在国内率先实现了国产M55J制备技术重大突破,同年9月进行了制备技术验证,并获得拉伸强度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纤维,后续进一步实现了国产M55J石墨纤维连续稳定生产。


2018年,中科院宁波材料所在石墨纤维关键制备技术方面取得重要进展,实现国产M60J石墨纤维关键制备技术突破。


参考来源:

百度百科

高分子科技.中科院宁波材料所:国产石墨纤维实现连续稳产

张政和.碳纤维石墨化技术研究进展

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