
碳纤维
然而,碳纤维的生产流程极为复杂,其制造需经预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等多道热处理工序,每一道工序的温度场分布、升温速率及气氛控制都直接影响纤维的微观结构与最终力学性能。
工艺要求
通用级沥青基碳纤维毡
通用级沥青基碳纤维毡在经过原料精制、熔融纺丝与针刺成毡等前道工艺后,将经历不熔化来建立耐热骨架。不熔化在空气中以0.5~1 ℃/min缓慢升温至250~320 ℃,氧分子渗透引发氧化、缩合与交联,使沥青纤维由热塑性转变为热固性,是耐受后续高温的前提;其难点在氧向毡体内部扩散受限,温度风速稍有不均即造成局部集中放热与皮芯结构差异,若不熔化炉在设计时没有考虑相关因素,材料容易出现纤维变脆、强度受损、熔融粘连、并丝结块甚至断裂的风险。而且,若升温过慢则导致效率低下,过度氧化又使碳收率下降。因此,想要针对材料特性设计打造能长久稳定运行的不熔化炉,需要经历很长时间的摸索,最终在大量热工理论与实践经验的交织下,找到满足工艺需求的均衡点。
在不熔化完成后,碳纤维毡将开始进入碳化阶段,其碳化过程与碳纤维长丝一样,分为低温与高温两段。低温碳化在高纯氮气保护下升至600~800 ℃,脱除非碳元素,纤维由有机结构转向无机碳结构;此阶段纤维失重最大、强度最低且伴随剧烈收缩,焦油与挥发分集中释放,此时如果排气不畅,烟炱沉积造成并丝粘连,废气中的焦油更会堵塞管道、腐蚀设备,所以其排气管理直接决定成品毡强度下限与缺陷率。高温碳化继续在高纯氮气与精确温度制度下使碳网平面长大、结构定型;温度制度须与产品定位匹配,并非越高越好,过度高温导致石墨微晶过度生长、纤维变脆,反而损害毡体的力学与保温性能。
纤维毡在碳化后须在惰性气氛下冷却,防止此时与空气接触导致表面氧化、前功尽弃。如此这般确保全链条控制精确、运行安全环保,方能稳定产出高性能保温碳毡。
在这之后,经过了高温碳化定型、惰性气氛冷却的通用级沥青基碳纤维毡即可按密度与厚度规格裁切包装,成为单晶炉、多晶炉及真空热压炉中不可或缺的高性能保温隔热材料。
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