本發(fā)明涉及一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，屬于碳纖維石墨化加工制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高性能碳纖維(石墨纖維)是由碳纖維在惰性氣體的保護(hù)下與2000-3000℃進(jìn)行石墨化而制得的。在石墨化過程中，碳纖維能進(jìn)一步脫除5％左右的非碳元素，同時(shí)碳原子進(jìn)行類石墨結(jié)構(gòu)的排列，在微觀上由二維層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，晶體尺寸增大，取向度增加，從而使得碳纖維的模量提高。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，具有高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)良的耐熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性、低熱膨性、石墨自潤滑性、震蕩衰減性，且纖維密度低、X射線透射性好、耐摩擦、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械電子行業(yè)、新能源、基礎(chǔ)設(shè)施和休閑文體等領(lǐng)域。在制備高性能碳纖維方面，超高溫石墨化爐和超高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)是關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，纖維高模量的特性來源于其類石墨結(jié)構(gòu)，大量研究證明碳纖維的拉伸模量隨石墨化溫度的升高而提高，而石墨化程度的提高是通過高溫?zé)崽幚韺?shí)現(xiàn)的。
目前在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的主要方法是高溫管式電阻間接加熱石墨化爐和電磁感應(yīng)間接加熱石墨化爐技術(shù)，在這兩種石墨化加熱方式中，碳纖維從石墨管中間穿過，在石墨管兩端施加直流電或者通過電磁感應(yīng)使石墨管產(chǎn)生直流電，當(dāng)電流通過石墨發(fā)熱體時(shí)石墨發(fā)熱體作為電阻被加熱，熱氣流在石墨發(fā)熱體和碳纖維之間通過熱傳遞的形式實(shí)現(xiàn)對碳纖維的間接加熱。此方法缺點(diǎn)為爐體溫度需高于碳纖維溫度，傳熱過程緩慢，大部分能量被散發(fā)掉，熱效率低，耗能大，作用于碳纖維的溫度難以控制；需要腔體保護(hù)約束石墨發(fā)熱體，導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對腔體材料要求高，石墨化爐價(jià)格昂貴；發(fā)熱體長期處于高溫狀態(tài)，受殘氧的侵蝕，壽命短，且燒壞后不可修復(fù)。同時(shí)，受石墨發(fā)熱體在2800℃開始升華的限制，國產(chǎn)型石墨化爐僅能在2500℃以下正常運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)2800℃甚至更高溫度的穩(wěn)定高溫，石墨化程度較低，無法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度高模量碳纖維的連續(xù)可控制備。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有石墨化爐設(shè)備能耗大、價(jià)格昂貴、壽命短、難以實(shí)現(xiàn)2500℃以上的超高溫石墨化等問題，從而提出一種能耗低、壽命長、成本低、對碳纖維進(jìn)行超高溫石墨化可控性制備的裝置和方法。
實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案是：一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，主要包括放絲裝置、密封裝置、爐體、可控激光器、觀測攝像機(jī)、氣閥、氣管、微型抽氣泵、石英玻璃視窗、超高溫紅外測溫儀、氬氣凈化機(jī)和收絲裝置。密封裝置位于爐體側(cè)壁碳纖維出入口處，密封裝置包括有入口密封和出口密封，入口密封和出口密封有氬氣注入口和碳纖維穿過，依靠氬氣的壓力阻斷爐體與外界的氣流交換，為爐體內(nèi)創(chuàng)造無氧環(huán)境，在爐內(nèi)形成嚴(yán)格的惰性氣體保護(hù)環(huán)境，爐體有氣體出口和氬氣入口，氣體出口和氬氣入口相距盡量遠(yuǎn)，氣體出口設(shè)置在爐體上端靠近出絲口，氬氣入口設(shè)置在爐體下端靠近進(jìn)絲口，氣體出口連接氣閥、氣管、微型抽氣泵，爐體內(nèi)的氬氣在微型抽氣泵的作用下循環(huán)起來，微型抽氣泵抽出來的氬氣進(jìn)入氬氣凈化機(jī)，凈化后的高純度氬氣再從入口密封和出口密封的氬氣注入口及爐體上的氬氣入口注入爐體；碳纖維由放絲裝置和收絲裝置牽引，并以一定的速度移動。爐體放置在放絲裝置和收絲裝置之間；微型抽氣泵由氣管連接在爐體的出氣口處，可在氬氣進(jìn)入爐體之前先行對爐內(nèi)進(jìn)行抽空氣和在氬氣達(dá)到純度要求之后進(jìn)行排廢氣處理；可控激光器的激光頭固定在爐體上用來對碳纖維進(jìn)行超高溫加熱，可控激光器的激光頭可以為單個(gè)或多個(gè)，激光頭發(fā)射的激光光斑照射到碳纖維絲上；超高溫紅外測溫儀安裝在爐體側(cè)面，通過石英玻璃視窗進(jìn)行測溫；觀測攝像機(jī)安裝在爐體內(nèi)，可對爐內(nèi)的激光光斑加熱過程實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄。
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，為了實(shí)現(xiàn)碳纖維超高溫石墨化，特采用激光直接加熱的方式對碳纖維進(jìn)行高溫處理。本裝置可根據(jù)實(shí)際工藝條件的需要選擇合適的脈沖式或者連續(xù)式激光器。對于碳纖維可使用單個(gè)或者多個(gè)激光頭來進(jìn)行激光加熱。為了提高碳纖維石墨化效率和石墨化均勻程度，一般采用多個(gè)激光頭同時(shí)進(jìn)行激光加熱，在碳纖維絲束的周向位置將多個(gè)激光頭按照等角度進(jìn)行均勻分布，在碳纖維絲束的軸向采用等距離分布使多束激光同時(shí)加熱軸向不同位置區(qū)域或者在碳纖維絲束的軸向?qū)⒍嗉す忸^安裝在軸向同一平面內(nèi)同時(shí)加熱相同的位置區(qū)域。按照上述裝置設(shè)計(jì)，位于軸芯的碳纖維絲束可以在激光束的直接加熱下迅速升溫至2500℃以上的溫度，并在極短的時(shí)間內(nèi)便可以完成石墨化過程。在進(jìn)行高溫處理時(shí)，可以通過控制激光器的功率大小來調(diào)節(jié)碳纖維的石墨化溫度，使溫度控制在合適的范圍。本裝置的激光頭內(nèi)部可以通過加裝激光束整形器對輸出的光斑形狀、大小和能量分布均勻性進(jìn)行變換，從而改變加熱區(qū)溫度場分布使碳纖維能夠在合適的溫度場下高效的完成石墨化過程。
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，碳纖維在收放絲裝置的牽引下以一定的速度移動，通過控制收放絲的速度來控制碳纖維的石墨化時(shí)間。放絲裝置和收絲裝置可以對碳纖維進(jìn)行一定張力控制，使碳纖維在石墨化的同時(shí)在牽引力的作用下進(jìn)行取向和牽伸，從而提高碳纖維石墨化程度。
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，為了保證碳纖維能夠?qū)崿F(xiàn)超高溫石墨化，避免碳纖維在加熱時(shí)被氧化，碳纖維的加熱區(qū)域需要處于高純的惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行石墨化。本裝置采用經(jīng)過氬氣凈化機(jī)凈化過后的超純氬氣作為保護(hù)氣，凈化后氬氣中雜質(zhì)的含量控制在CH4≤0.1ppm，O2≤0.1ppm，N2≤0.2ppm，含碳量≤0.2ppm，露點(diǎn)≤0.2ppm，烴類≤0.1ppm。為了維持爐內(nèi)純凈的惰性氣體保護(hù)環(huán)境，先使用微型抽氣泵對爐內(nèi)進(jìn)行抽氣處理，然后超純氬氣通過銅管或者鋼管輸入進(jìn)爐內(nèi)，等到爐內(nèi)氬氣純度達(dá)到工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)之后，減小微型抽氣泵的抽氣速度，以保證爐內(nèi)氬氣平穩(wěn)而緩慢的流動，同時(shí)也能將廢氣及時(shí)排爐外；為了使?fàn)t內(nèi)維持超純氬氣保護(hù)環(huán)境，在爐體兩端安裝有密封裝置，隔絕外界的雜質(zhì)氣體進(jìn)入，本裝置中可以采用氣封密封裝置密封或者采用磁流體密封裝置密封。
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，超高溫紅外測溫儀可以通過石英玻璃視窗實(shí)時(shí)測量加熱點(diǎn)溫度，并將數(shù)據(jù)傳送至控制器，控制器實(shí)時(shí)控制收放絲裝置的速度和可控激光器的功率，從而保證加熱區(qū)域的溫度保持動態(tài)平衡。觀測攝像機(jī)用來觀測爐內(nèi)的石墨化過程，同時(shí)可以選擇性對觀測到的現(xiàn)象進(jìn)行記錄。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置的激光頭布置示意圖。
圖中：1-放絲裝置，2-進(jìn)絲孔，3a入口密封，3b-出口密封，4-爐體，5-激光頭，6-觀測攝像機(jī)，7-出氣孔，8-氣閥，9-氣管，10-微型抽氣泵，11-出絲口，12-收絲裝置，13-石英玻璃視窗，14-超高溫紅外測溫儀，15-進(jìn)氣口，16-氬氣，17-碳纖維。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化方法及裝置，如圖1所示，主要包括放絲裝置1、密封裝置、爐體4、可控激光器、觀測攝像機(jī)6、氣閥8、氣管9、微型抽氣泵10、石英玻璃視窗13、超高溫紅外測溫儀14、氬氣凈化機(jī)和收絲裝置12。密封裝置位于爐體側(cè)壁碳纖維17出入口處，密封裝置包括有入口密封3a和出口密封3b，入口密封3a和出口密封3b有氬氣注入口和碳纖維17穿過，依靠氬氣的壓力阻斷爐體與外界的氣流交換，為爐體內(nèi)創(chuàng)造無氧環(huán)境，在爐內(nèi)形成嚴(yán)格的惰性氣體保護(hù)環(huán)境，爐體有出氣孔7和氬氣進(jìn)氣口15，出氣孔7和氬氣進(jìn)氣口15相距盡量遠(yuǎn)，出氣孔7設(shè)置在爐體上端靠近出絲口11，氬氣進(jìn)氣口15設(shè)置在爐體4下端靠近進(jìn)絲口2，出氣孔7連接氣閥8、氣管9、微型抽氣泵10，爐體4內(nèi)的氬氣在微型抽氣泵10的作用下循環(huán)起來，微型抽氣泵10抽出來的氬氣進(jìn)入氬氣凈化機(jī)，凈化后的高純度氬氣16再從入口密封3a和出口密封3b的氬氣注入口及爐體4上的氬氣進(jìn)氣口15注入爐體；碳纖維17由放絲裝置1和收絲裝置12牽引，并以一定的速度移動。爐體放置在放絲裝置1和收絲裝置12之間；微型抽氣泵10由氣管9連接在爐體4的出氣孔7處，可在氬氣進(jìn)入爐體之前先行對爐內(nèi)進(jìn)行抽空氣和在氬氣達(dá)到純度要求之后進(jìn)行排廢氣處理；可控激光器的激光頭5固定在爐體上用來對碳纖維17進(jìn)行超高溫加熱，可控激光器的激光頭5可以為單個(gè)或多個(gè)，激光頭5發(fā)射的激光光斑照射到碳纖維絲17上；超高溫紅外測溫儀14安裝在爐體4側(cè)面，通過石英玻璃視窗13進(jìn)行測溫；觀測攝像機(jī)6安裝在爐體4內(nèi)，可對爐內(nèi)的激光光斑加熱過程實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄。
微型抽氣泵10在通入氬氣之初首先對爐體5進(jìn)行快速抽氣，經(jīng)過凈化的氬氣16通過進(jìn)氣口15進(jìn)入爐體4內(nèi)，然后慢慢地充滿爐體4，微型抽氣泵10通過出氣口7將爐內(nèi)的氣體不斷地抽出爐體4，當(dāng)爐內(nèi)氬氣達(dá)到工藝要求時(shí)調(diào)節(jié)氣閥8和降低微型抽氣泵10的抽氣速度，從而使?fàn)t內(nèi)氣體平緩穩(wěn)定，使氬氣達(dá)到動態(tài)平衡。本例中選用功率為180w，連續(xù)型CO2激光發(fā)生器用來進(jìn)行激光加熱，當(dāng)氬氣達(dá)到工藝要求后激光頭5發(fā)出高能激光對碳纖維進(jìn)行加熱，同時(shí)超高溫紅外測溫儀14開始對加熱區(qū)域進(jìn)行測溫和控制，觀測攝像機(jī)6可對加熱區(qū)域進(jìn)行觀測和記錄，碳纖維17通過出口密封3b后就完成石墨化過程。
本發(fā)明一種碳纖維可控激光式超高溫石墨化裝置，多個(gè)激光頭5布置結(jié)構(gòu)如圖2，圖2中激光頭5有三個(gè)，三個(gè)激光頭5在碳纖維17周向成均勻分布。在軸向可以采用兩種布置方式，第一種是多個(gè)激光頭5均處于同一平面內(nèi)，此時(shí)多激光頭5同時(shí)加熱一個(gè)區(qū)域，第二種是在軸向不同平面按相應(yīng)的距離分布，此時(shí)同時(shí)可以加熱不同區(qū)域。多激光頭5同時(shí)加熱，可提高加熱效率，也可以使得進(jìn)行加熱的碳纖維石墨化更加均勻。本裝置的激光頭5內(nèi)部可以通過加裝激光束整形器對輸出的光斑形狀、大小和能量分布均勻性進(jìn)行變換，從而改變加熱區(qū)溫度場分布使碳纖維能夠在合適的溫度場下高效的完成石墨化過程。