CN105088420A - 高导热沥青石墨纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高导热沥青石墨纤维的制备方法。高导热沥青石墨纤维因具有高导热、低密度等优异性能，具有广阔的应用前景。本发明将中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后通过石墨托辊进入氧化炉进行预氧化，预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉（五个温区），得到低温炭化纤维，再经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化（四个温区），得到碳纤维再经牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理得到石墨化纤维，进入上浆槽上浆后进入干燥炉进行干燥，得到高导热沥青基石墨化纤维。本发明选用中间相沥青纤维原丝，经预氧化、炭化及石墨化制备出连续高导热石墨纤维长丝，既保持了较高的模量、强度，又具有高的热导率。

Description

高导热沥青石墨纤维的制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种高导热沥青石墨纤维的制备方法。

背景技术

越来越多的新型的电子设备特别是航空航天设备都日趋小型化，对其结构的要求也更加偏向于轻量化、紧凑化，对其性能的要求更加高效化。然而这些设备在生产制造过程中对热控重要组成部分的散热材料提出了越来越高的要求。传统制造上使用到的散热元件主要由导热性良好的金属(例如铜和铝等)制得，但这些传统导热材料本身的密度大，热膨胀系数高，且导热性受材料的纯度影响大，这些局限性使得他们很难满足越来越高的散热需求。对于在航空航天方面使用的热结构材料，对其导热系数、热膨胀系数、耐热冲击性等要求更高。特别是在航空航天、武器装备及高功率电子设备等仪器装备中电子器件的大规模集成化和高功率密度化，使其热流密度已经达到数百甚至上千，传统意义上散热材料已经不能满足需要，高导热沥青石墨纤维因具有高导热、低密度等优异性能，在上述领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种高导热沥青石墨纤维的制备方法，制备出连续高导热石墨纤维长丝，既保持了较高的模量、强度，又具有高的热导率。

本发明所采用的技术方案是：

高导热沥青石墨纤维的制备方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入氧化炉进行预氧化，氧化温度梯度范围为200℃-320℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气；

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度范围为400℃-700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维；

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃-1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维；

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2600-2800℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维；

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2-3%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

步骤一中，预氧化的氧化炉设置前后两个，每个由低到高设置4个温区。

本发明具有以下优点：

本发明选用中间相沥青纤维原丝，经预氧化、炭化及石墨化制备出连续高导热石墨纤维长丝。所得中间相沥青基石墨纤维的最高模量为508GPa，强度为2521MPa，热导率达到603W/(m·K)。既保持了较高的模量、强度，又具有高的热导率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的高导热沥青石墨纤维的制备方法，由以下步骤实现：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入氧化炉进行预氧化，氧化温度梯度范围为200℃-320℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气；

原丝经氧化炉完成预氧化，得到预氧化纤维，对预氧化纤维进行密度测试，预氧化纤维密度保持在1.39-1.42g/cm³之间。

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度范围为400℃-700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维；

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃-1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维。

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2600-2800℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维。

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2-3%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

对石墨纤维进行力学性能及热导率测试，测试结果模量为451-508GPa，强度为2032-2521MPa，热导率557-603W/(m·K)。

实施例1：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入1#氧化炉后再进入2#氧化炉进行预氧化，纤维运行为从低温到高温连续运行。1#氧化炉的低温到高温的温度分别为：200℃、215℃、230℃、245℃；2#氧化炉的低温到高温的温度分别为：250℃、265℃、280℃、280℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气。

原丝经氧化炉完成预氧化，得到预氧化纤维，对预氧化纤维进行密度测试，预氧化纤维密度为1.39g/cm³。

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度设定为400℃、500℃、600℃、700℃、700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维。

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃、900℃、1200℃、1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维。

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2600℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维。

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2.5%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

本实施例所得高模量石墨纤维的模量为451GPa，强度为2032MPa，热导率为：557W/(m·K)。

实施例2：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入1#氧化炉后再进入2#氧化炉进行预氧化，纤维运行为从低温到高温连续运行。1#氧化炉的低温到高温的温度分别为：210℃、225℃、240℃、255℃；2#氧化炉的低温到高温的温度分别为：260℃、275℃、290℃、290℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气。

原丝经氧化炉完成预氧化，得到预氧化纤维，对预氧化纤维进行密度测试，预氧化纤维密度为1.40g/cm³。

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度设定为400℃、500℃、600℃、700℃、700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维；

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃、900℃、1200℃、1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维；

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2700℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维。

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2.5%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

本实施例所得高模量石墨纤维的模量为487GPa，强度为2184MPa，热导率为：582W/(m·K)。

实施例3：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入1#氧化炉后再进入2#氧化炉进行预氧化，纤维运行为从低温到高温连续运行。1#氧化炉的低温到高温的温度分别为：220℃、235℃、250℃、265℃；2#氧化炉的低温到高温的温度分别为：270℃、285℃、300℃、300℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气。

原丝经氧化炉完成预氧化，得到预氧化纤维，对预氧化纤维进行密度测试，预氧化纤维密度为1.41g/cm³。

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度设定为400℃、500℃、600℃、700℃、700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维。

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃、900℃、1200℃、1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维。

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2800℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维。

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2.5%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为压缩空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

本实施例所得高模量石墨纤维的模量为497GPa，强度为2477MPa，热导率为：589W/(m·K)。

实施例4：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入1#氧化炉后再进入2#氧化炉进行预氧化，纤维运行为从低温到高温连续运行。1#氧化炉的低温到高温的温度分别为：220℃、245℃、265℃、280℃；2#氧化炉的低温到高温的温度分别为：285℃、300℃、320℃、320℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气。

原丝经氧化炉完成预氧化，得到预氧化纤维，对预氧化纤维进行密度测试，预氧化纤维密度为1.43g/cm³。

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度设定为400℃、500℃、600℃、700℃、700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维。

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃、900℃、1200℃、1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维。

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2800℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维。

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2.5%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

本实施例所得高模量石墨纤维的模量为508GPa，强度为2521MPa，热导率为：603W/(m·K)。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.高导热沥青石墨纤维的制备方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：中间相沥青原丝的预氧化：

中间相沥青纤维原丝放置在放丝架上后以0.1m/min的速度通过石墨托辊进入氧化炉进行预氧化，氧化温度梯度范围为200℃-320℃，预氧化时间为50-60min，预氧化介质为空气；

步骤二：预氧化纤维的炭化处理：

预氧化纤维经过牵伸罗拉进入低温炭化炉，低温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，低温炭化炉有五个温区，温度梯度范围为400℃-700℃，纤维由低温到高温运行，低温炭化时间为25min，预氧化纤维经过低温炭化得到低温炭化纤维；

低温炭化纤维经罗拉进入高温碳化炉进行高温炭化，高温炭化介质为氧含量低于1ppm的超纯氮气，高温炭化炉有四个温区，温度梯度范围为800℃-1600℃，纤维由低温到高温运行，高温炭化时间为10min，低温炭化纤维经过高温炭化得到碳纤维；

步骤三：碳纤维的石墨化处理：

经步骤二得到的碳纤维经过牵伸罗拉进入石墨化炉进行石墨化处理，石墨化处理的保护介质为超纯氩气，石墨化处理温度为2600-2800℃，石墨化处理时间为1min，经石墨化处理后得到石墨化纤维；

步骤四：上浆处理：

经步骤三得到石墨化纤维经牵伸罗拉进入上浆槽，上浆剂固体含量为2-3%，经上浆后进入干燥炉进行干燥，干燥温度为120℃，介质为空气，经过表面处理及上浆处理后收卷，得到高导热沥青基石墨化纤维。

2.根据权利要求1所述的高导热沥青石墨纤维的制备方法，其特征在于：

步骤一中，预氧化的氧化炉设置前后两个，每个由低到高设置4个温区。