Необработанные провода на основе ПАН необходимо предварительно окислить, обугливать при низкой температуре и обугливать при высокой температуре для формированияуглеродные волокна, а затем графитизируется для получения графитовых волокон. Температура достигает от 200°C до 2000–3000°C, при этом происходят различные реакции и образуются различные структуры, обладающие различными свойствами.
1. Стадия пиролиза:Предварительное окисление в низкотемпературной части, низкотемпературное обугливание в высокотемпературной части
Предварительное окислительное арилирование длится около 100 минут при температуре 200–300 °C. Целью является преобразование термопластичной линейной макромолекулярной цепи полиакрилонитрила (ПАН) в непластичную, термостойкую трапециевидную структуру. Основной реакцией для макромолекулярной цепи является циклизация и межмолекулярное сшивание, сопровождающееся пиролизом и высвобождением множества малых молекул. Индекс арилирования обычно составляет 40–60%.
Низкотемпературная температура карбонизацииобычно составляет 300-800 ℃, в основном реакция термического крекинга, в основном с использованием нагрева проволоки в высокотемпературной электрической печи, на этапе образуется большое количество отходящих газов и смолы.
Характеристики: Цвет предварительно окисленного волокна становится темнее, обычно черным, но по-прежнему сохраняется морфология волокна, внутренняя структура претерпевает определенную степень химических изменений, образуется ряд кислородсодержащих функциональных групп и сшитая структура, закладывающая основу для последующей карбонизации.
2. Стадия (высокотемпературной) карбонизацииПредварительное окисление исходного материала в инертной атмосфере при высокой температуре приводит к его разложению, в результате чего удаляются гетероатомы углерода (такие как кислород, водород, азот и т.д.), что приводит к постепенному обугливанию и образованию аморфного углерода или микрокристаллической углеродной структуры. Этот процесс является ключевым этапом формирования углеродного скелета. Температура обычно находится в диапазоне 1000–1800 °C, в основном это реакция термической конденсации. Для нагревания в основном используются графитовые нагреватели.
Характеристики: Основным компонентом карбонизированного материала является углерод, структура в основном аморфная углеродная или хаотичная графитовая, его электропроводность и механические свойства по сравнению с продуктом предварительного окисления значительно возрастают.
3. ГрафитизацияЭто дополнительная термическая обработка продуктов карбонизации при более высоких температурах, направленная на преобразование структуры аморфного или микрокристаллического углерода в более упорядоченную кристаллическую структуру графита. Под воздействием высокой температуры атомы углерода перестраиваются, образуя гексагональную слоистую структуру с высокой степенью ориентации, что значительно улучшает электро- и теплопроводность, а также механическую прочность материала.
Характеристики: Графитизированный продукт имеет высококристаллическую структуру графита, что обеспечивает отличную электро- и теплопроводность, а также высокую удельную прочность и удельный модуль упругости. Например, высокомодульныйуглеродные волокнаполучаются путем высокой степени графитизации.
Конкретные этапы и требования к оборудованию для предварительного окисления, карбонизации и графитизации:
Предварительное окисление: проводится на воздухе при контролируемой температуре 200–300 °C. Для уменьшения усадки волокна необходимо приложить натяжение.
Карбонизация: проводится в инертной атмосфере с постепенным повышением температуры до 1000-2000°С.
Графитация: проводится при более высоких температурах (2000-3000°С), обычно в вакууме или в инертной атмосфере.
Время публикации: 22 мая 2025 г.
