碳纖維雷射加熱實現超高溫石墨化的機理研究

《碳纖維雷射加熱實現超高溫石墨化的機理研究》是依託北京化工大學，由譚晶擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳纖維雷射加熱實現超高溫石墨化的機理研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：譚晶

項目摘要

高溫石墨化是製備高模量碳纖維的關鍵工藝。現有的方法和手段由於加熱溫度低且無法實現石墨化過程的精確可控，使得製備的石墨化碳纖維性能遠不及理論上限。為此，申請人提出一種雷射超高溫石墨化碳纖維的可控制備方法，前期已驗證了雷射石墨化碳纖維方法的可行性，本項目將探明碳纖維在雷射超高溫下石墨化的演變規律，闡明石墨微晶晶態結構參數和聚集態結構的演變規律及微晶生長分布形態；獲得在不同雷射功率密度條件下碳纖維絲束內部溫度傳導變化規律及溫度場的分布情況，揭示碳纖維熱傳導的關鍵影響因素；研究溫度、時間及牽伸等工藝參數對石墨化度的影響規律，建立工藝參數和石墨纖維特徵參數的內在關係，最終形成雷射超高溫石墨化碳纖維可控制備的理論體系，為實現不同規格碳纖維的雷射石墨化可控制備提供理論依據。本項目的研究有望為突破低成本、高模量碳纖維的製備提供新的途徑。

結題摘要

高溫石墨化是製備高模量碳纖維的關鍵工藝。現有的手段和方法由於加熱溫度低且無法實現石墨化過程的精確可控，使得製備的石墨化碳纖維性能遠不及理論上限，為此，本項目提出一種雷射超高溫石墨化碳纖維的可控制備方法，研製了能夠動態調控雷射功率密度、牽伸力和走絲速度（即石墨化時間）的碳纖維雷射超高溫石墨化裝置，此裝置實現了3000℃以上超高溫碳纖維雷射石墨化工藝的長期穩定運行，解決了常規碳纖維石墨化裝置無法突破2800℃的技術瓶頸，同時還具有升溫速度快、能耗低等特點。實驗研究了碳纖維在超高溫下石墨微晶生長規律，石墨微晶晶態結構和聚集態結構的演變規律，隨著雷射功率的增大，石墨微晶尺寸增大，石墨堆砌層數增多，石墨片層排列更加規整，結構更加完善，石墨化程度越高。利用反應分子動力學模擬方法從介觀尺度上探究碳纖維雷射石墨化過程機理，闡明了雷射與碳纖維的作用過程，以及雷射處理相對於傳統熱處理方法的有益性。表明了由於雷射具有使物體快速升溫的特性，給輻射的碳纖維帶來一定的熱衝擊應力，致使纖維內部分子波動加劇，活性原子數量增多，原子活性增大，與周邊原子發生碰撞和化學反應的幾率增大，從而促進石墨結構的形成，具有更好的碳化效果，與實驗表明的同等溫度下，雷射處理的石墨化程度更高是一致的。為實現在低溫條件下石墨結構的形成，提出石墨微片模板誘導PAN基碳纖維石墨化工藝，採用分子動力學模擬方法，研究了石墨微片的模板作用，以及在石墨微片作用的預氧化分子結構的演變機制，同時發現碳纖維內部的石墨結構含量及排列方式對其拉伸性能也起著關鍵作用，為高強高模碳纖維的製備奠定了堅實的基礎。建立碳纖維雷射石墨化過程傳熱數學物理模型，獲得了不同雷射功率密度條件下碳纖維絲束內部溫度傳導變化規律及溫度場的分布情況，揭示了碳纖維熱傳導的關鍵影響因素；研究了溫度、時間及牽引等工藝參數對石墨化度的影響規律，建立了工藝參數和石墨纖維特徵參數的內在關係，為實現不同規格碳纖維的雷射石墨化可控制備提供了理論依據。本項目的研究為突破低成本、高模量碳纖維的製備提供了新的途徑。