碳纤维激光加热实现超高温石墨化的机理研究

The graphitization process at high temperature is the key for the preparation of high modulus carbon fibers. The problems of existing methods, including low heating temperature and inaccurate controlling of the graphitization process, make the performance of the graphitic carbon fiber far less than the theoretical limit. Therefore, a controllable method of super high temperature graphitic Carbon fiber by laser heating (GCT-LS) is proposed. The previous trial has demonstrated this idea. In this study, the evolution of graphitization process of carbon fiber will be studied, which includes the structure parameters of graphite crystallite, the aggregate structure evolution and the growth and distribution of crystallites. Then the temperature conducting law and temperature field distribution in the carbon fiber bundles at different laser power will be studied so as to reveal the key factors deciding temperature conductivity. By researching the effects of temperature, time and pulling on graphitization level, the relationships between the process parameters and carbon fiber characteristic parameters will be also established. Finally, the theory system will be built, which will provide theoretical guidance for controllable preparation of various graphitic carbon fiber by GCT-LS. Hopefully, the carrying out of this program will provide a new way to solve the bottleneck of preparation of low cost, high modulus graphitic carbon fiber.

高温石墨化是制备高模量碳纤维的关键工艺。现有的方法和手段由于加热温度低且无法实现石墨化过程的精确可控，使得制备的石墨化碳纤维性能远不及理论上限。为此，申请人提出一种激光超高温石墨化碳纤维的可控制备方法，前期已验证了激光石墨化碳纤维方法的可行性，本项目将探明碳纤维在激光超高温下石墨化的演变规律，阐明石墨微晶晶态结构参数和聚集态结构的演变规律及微晶生长分布形态；获得在不同激光功率密度条件下碳纤维丝束内部温度传导变化规律及温度场的分布情况，揭示碳纤维热传导的关键影响因素；研究温度、时间及牵伸等工艺参数对石墨化度的影响规律，建立工艺参数和石墨纤维特征参数的内在关系，最终形成激光超高温石墨化碳纤维可控制备的理论体系，为实现不同规格碳纤维的激光石墨化可控制备提供理论依据。本项目的研究有望为突破低成本、高模量碳纤维的制备提供新的途径。

高温石墨化是制备高模量碳纤维的关键工艺。现有的手段和方法由于加热温度低且无法实现石墨化过程的精确可控，使得制备的石墨化碳纤维性能远不及理论上限，为此，本项目提出一种激光超高温石墨化碳纤维的可控制备方法，研制了能够动态调控激光功率密度、牵伸力和走丝速度（即石墨化时间）的碳纤维激光超高温石墨化装置，此装置实现了3000℃以上超高温碳纤维激光石墨化工艺的长期稳定运行，解决了常规碳纤维石墨化装置无法突破2800℃的技术瓶颈，同时还具有升温速度快、能耗低等特点。实验研究了碳纤维在超高温下石墨微晶生长规律，石墨微晶晶态结构和聚集态结构的演变规律，随着激光功率的增大，石墨微晶尺寸增大，石墨堆砌层数增多，石墨片层排列更加规整，结构更加完善，石墨化程度越高。.利用反应分子动力学模拟方法从介观尺度上探究碳纤维激光石墨化过程机理，阐明了激光与碳纤维的作用过程，以及激光处理相对于传统热处理方法的有益性。表明了由于激光具有使物体快速升温的特性，给辐射的碳纤维带来一定的热冲击应力，致使纤维内部分子波动加剧，活性原子数量增多，原子活性增大，与周边原子发生碰撞和化学反应的几率增大，从而促进石墨结构的形成，具有更好的碳化效果，与实验表明的同等温度下，激光处理的石墨化程度更高是一致的。为实现在低温条件下石墨结构的形成，提出石墨微片模板诱导PAN基碳纤维石墨化工艺，采用分子动力学模拟方法，研究了石墨微片的模板作用，以及在石墨微片作用的预氧化分子结构的演变机制，同时发现碳纤维内部的石墨结构含量及排列方式对其拉伸性能也起着关键作用，为高强高模碳纤维的制备奠定了坚实的基础。.建立碳纤维激光石墨化过程传热数学物理模型，获得了不同激光功率密度条件下碳纤维丝束内部温度传导变化规律及温度场的分布情况，揭示了碳纤维热传导的关键影响因素；研究了温度、时间及牵引等工艺参数对石墨化度的影响规律，建立了工艺参数和石墨纤维特征参数的内在关系，为实现不同规格碳纤维的激光石墨化可控制备提供了理论依据。本项目的研究为突破低成本、高模量碳纤维的制备提供了新的途径。