CN110067044A - 一种聚丙烯腈基石墨纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种聚丙烯腈基石墨纤维及其制备方法。主要采用的技术方案为：一种聚丙烯腈基石墨纤维，其中，聚丙烯腈基石墨纤维的拉伸强度为4.01～4.46GPa、拉伸模量为541～547GPa、体密度为1.89～1.91g/cm3；6K聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km。上述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法包括如下步骤：对原丝依次进行预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化及后处理，得到聚丙烯腈基石墨纤维；其中，原丝为聚丙烯腈纤维；原丝的单丝直径为9～11μm；原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm。本发明主要用于制备一种强度、模量等力学性能指标均较优异的聚丙烯腈基石墨纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维技术领域，特别是涉及一种聚丙烯腈基石墨纤维及其制备方法。
背景技术
高强度高模量聚丙烯腈基碳纤维具有拉伸强度高、拉伸模量高等优点，因此，高强度高模量聚丙烯腈基碳纤维可用于制造刚而薄、尺寸稳定的复合材料构件；而这些复合材料构件是大型飞机、火箭、宇宙空间站等必备的特种构件。
现有技术中，高强度高模量聚丙烯腈基碳纤维是在对原丝进行碳化的基础上，进一步对其进行高温石墨化处理制备得到。在此，经过石墨化处理后的聚丙烯腈基碳纤维也称为聚丙烯腈基石墨纤维。
但是，对碳纤维进行石墨化处理，虽然能大幅度提升纤维的拉伸模量，但会导致碳纤维其他力学性能尤其是拉伸强度显著下降。现有技术的所谓高强度高模量聚丙烯腈基碳纤维，其不能同时满足高强、高模量的所有力学性能指标。如，现有技术中的聚丙烯腈基石墨纤维的力学指标普遍如下：线密度为178-185g/km，拉伸强度为3.87GPa左右，拉伸模量为500GPa左右；由此可见，仅仅拉伸模量达到高模指标要求，其他力学性能的指标偏低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种聚丙烯腈基石墨纤维及其制备方法，主要目的在于提供一种强度、模量均较优异的聚丙烯腈基石墨纤维。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈基石墨纤维，其中，所述聚丙烯腈基石墨纤维的拉伸强度为4.01～4.46GPa、拉伸模量为541～547GPa、体密度为1.89～1.91g/cm3；优选的，6K聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km。
优选的，所述聚丙烯腈基石墨纤维的断裂伸长率为0.71～0.80％；和/或
所述聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为4.96～5.18μm；优选的，所述聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为5.00～5.18μm。
另一方面，本发明的实施例提供一种上述聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
预氧化：对原丝进行预氧化处理，得到预氧化纤维体；其中，所述原丝为聚丙烯腈纤维；所述原丝的体密度为1.181～1.191g/cm3、单丝直径为9～11μm，优选为9.5-10.7μm；优选的，6K原丝的线密度为505～515g/Km；优选的，所述原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm；优选的，所述原丝的截面为圆形或近似圆形；
低温碳化：对所述预氧化纤维体进行低温碳化处理，得到低温碳化纤维体；
高温碳化：对所述低温碳化纤维体进行高温碳化处理，得到高温碳化纤维体；
石墨化：对所述高温碳化纤维体进行石墨化处理，得到石墨化纤维体；
后处理：对所述石墨化纤维体进行后处理，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
优选的，所述高温碳化纤维体的线密度为251～253g/km、体密度为1.80～1.81g/cm3、拉伸强度为5.8～6.02GPa；优选的，所述高温碳化纤维体的单丝直径为5.48～5.56μm。
优选的，所述预氧化的步骤包括：使所述原丝依次经过4～6个氧化温区进行预氧化处理；其中，后一个氧化温区比前一个氧化温区的温度高；第一个氧化温区的预氧化温度为195～200℃，最后一个氧化温区的预氧化温度为240～245℃；优选的，原丝在氧化温区的总停留时间为35～45分钟；优选的，所述氧化温区为4个，具体为第一氧化温区、第二氧化温区、第三氧化温区及第四氧化温区；其中，在所述第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为1～1.5％；在所述第二氧化温区中，预氧化温度为215～220℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为0.2～0.9％；在所述第三氧化温区中，预氧化温度为240～245℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.2～-0.2％；在所述第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.6～-0.2％。
优选的，所述低温碳化的步骤包括：使预氧化纤维体依次经过5-7个低温碳化温区进行低温碳化；其中，后一个低温碳化温区比前一个低温碳化温区的温度高；第一个低温碳化温区的温度为280～300℃，最后一个低温碳化温区的温度为700～850℃；优选的，相邻的两个低温碳化温区之间的温度差为50～120℃；优选的，在所述低温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在2～4％；优选的，在所述低温碳化步骤中，纤维的停留时间为1～1.5分钟。
优选的，所述高温碳化的步骤包括：使低温碳化纤维体依次经过3～6个高温碳化温区进行高温碳化；其中，后一个高温碳化温区比前一个高温碳化温区的温度高；第一个高温碳化温区的温度为1000～1100℃，最后一个高温碳化温区的温度为1340～1430℃；优选的，在所述高温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在-4.0～-1.0％；优选的，相邻的两个高温碳化温区之间的温差为80～150℃；优选的，在所述高温碳化步骤中，纤维的停留时间为0.4～0.6分钟。
优选的，在所述石墨化的步骤中，石墨化处理的温度为2600-2800℃，对纤维施加牵伸的牵伸比为5～9％、纤维的停留时间为0.4～0.8分钟。
优选的，所述后处理的步骤包括：
表面处理：在电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；优选的，电解液选用碳酸氢铵；优选的，电解时，直流电源提供的外加电流为1.5～3.0A；
水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水对表面处理后的石墨化纤维进行水洗处理；
干燥：对水洗处理后的石墨化纤维进行干燥处理；其中，干燥处理的温度为50～100℃。
优选的，所述后处理的步骤还包括：
上浆：对干燥后的石墨化纤维进行上浆处理；优选的，所述上浆液的浓度为0.5％～1.5％；
再干燥：在160～200℃的温度下，对上浆后的石墨化纤维进行干燥处理；
优选的，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2～1.5％。
与现有技术相比，本发明的聚丙烯腈基石墨纤维及其制备方法至少具有下列有益效果：
本发明实施例提供的聚丙烯腈基石墨纤维不仅拉伸模量达到高模量的要求，相对于现有技术，石墨纤维的拉伸强度也大幅度提升，达到高强度要求(现有技术的石墨化纤维的拉伸强度仅有3.87GPa左右)。同时，本发明提供聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km、体密度为1.89～1.91g/cm3(现有技术的石墨纤维的线密度为178～185g/km，体密度1.89～1.90g/cm3；在此的线密度指的是6K的聚丙烯腈基石墨纤维的线密度；聚丙烯腈基石墨纤维的线密度与K数呈正比关系)，由此可见，本申请的聚丙烯腈基石墨纤维的直径较大(体密度一样时，线密度大，说明直径大；本发明实施例的聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为4.96～5.18μm；优选的，聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为5.00～5.18μm；而现有技术的聚丙烯腈石墨纤维的单丝直径不足5μm)，这样，本发明实施例提供的聚丙烯腈基石墨纤维在制成石墨纤维复合材料构件时，能使复合材料构件的热膨胀系数低、导电性高、热稳定性好、尺寸稳定性能优异。
本发明实施例提供的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，选用直径为9～11μm(优选为9.5-10.7μm)、沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm、截面形状大致为圆形的原丝；利用上述原丝制成的聚丙烯腈基石墨纤维不仅具有较好的拉伸强度、拉伸模量，关键能使聚丙烯腈基石墨纤维的直径较大，这样由该聚丙烯石墨纤维制成的复合材料构件能同时具有优异的热膨胀系数、导电性、热稳定性及尺寸稳定性能。
本发明实施例提供的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，在选用特定原丝的基础上，进一步采用适用于该原丝的预氧化(如，设置相应的温区、温度及停留时间，使纤维的预氧化反应充分、均匀)、低温碳化、高温碳化(如，调整高温碳化温区分布，实现有效停留时间延长，增加石墨纤维的体密度)、石墨化(合适的石墨化工艺提高纤维的模量)、表面处理(如，通过电解处理提高纤维的模量)等工艺，从而制备出力学性能较好的聚丙烯腈基石墨纤维。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为一定数量的原丝样品的沟槽平均深度的测定数据统计图；
图2为一定数量的原丝样品的沟槽平均宽度的测定数据统计图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例提供一种聚丙烯腈基石墨纤维，其中，聚丙烯腈基石墨纤维的拉伸强度为4.01～4.46GPa、拉伸模量为541～547GPa、体密度为1.89～1.91g/cm3。6K聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km(在此，以6K为标准，限定本申请的聚丙烯腈基石墨纤维的线密度。聚丙烯腈基石墨纤维的线密度与K呈正比关系。本申请的聚丙烯腈基石墨纤维方法可以制备其他K数的石墨纤维，如12K等)；聚丙烯腈基石墨纤维的断裂伸长率为0.71～0.80％。
通过上述指标可以看出，本发明实施例提供的聚丙烯腈基石墨纤维不仅拉伸模量达到高模量的要求，相对于现有技术，石墨纤维的拉伸强度也大幅度提升，达到高强度要求(现有技术的石墨化纤维的拉伸强度仅有3.87GPa左右)。同时，本发明提供聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km、体密度为1.89～1.91g/cm3(现有技术的石墨纤维的线密度为178～185g/km，体密度1.89～1.90g/cm3)，由此可见，本申请的聚丙烯腈基石墨纤维的直径较大(体密度一样时，线密度大，说明直径大；本发明实施例的聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为4.96～5.18μm；优选的，聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为5.00～5.18μm；而现有技术的聚丙烯腈石墨纤维的单丝直径不足5μm)，这样，因此，本发明实施例制备的聚丙烯腈基石墨纤维在制成石墨纤维复合材料构件时，能使石墨纤维复合材料构件的尺寸稳定好。
上述聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，包括如下步骤：原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后收丝；全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。可以实现连续批量生产；原丝可以同时运行5～100束。
具体地，详细的制备步骤如下：
1)预氧化：对原丝进行预氧化处理，得到预氧化纤维体。
在预氧化步骤中，使所述原丝依次经过4～6个氧化温区进行预氧化处理；其中，后一个氧化温区比前一个氧化温区的温度高；第一个氧化温区的预氧化温度为195～200℃，最后一个氧化温区的预氧化温度为240～245℃；优选的，原丝在氧化温区的总停留时间为35～45分钟；优选的，所述氧化温区为4个，具体为第一个氧化温区、第二个氧化温区、第三个氧化温区及第四个氧化温区；其中，在所述第一个氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为1～1.5％；在所述第二个氧化温区中，预氧化温度为215～220℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为0.2～0.9％；在所述第三个氧化温区中，预氧化温度为240～245℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.2～-0.2％；在所述第四个氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.6～-0.2％。通过设置上述的预氧化步骤，能很好地控制预氧化过程，控制皮芯结构，使其能充分地环化、氧化。
其中，所述原丝为聚丙烯腈纤维；且该原丝具有如下特性：所述原丝的体密度为1.181～1.191g/cm3、单丝直径为9～11μm，优选为9.5-10.7μm；优选的，6K原丝的线密度为505～515g/Km；优选的，所述原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm；优选的，所述原丝的截面为圆形或近似圆形。优选的，所述原丝的取向度为89.7-93.4％；优选的，所述原丝的结晶度为55.4～60.3。
在此，由于所选用原丝的致密性好、具有圆形截面，那么有助于提高聚丙烯腈基石墨纤维的强度，而原丝的直径为9～11μm，在确保拉伸强度基础上，还有助于能使石墨纤维复合材料具有较好的尺寸稳定性。
进一步较佳的，原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm。通过上述沟槽平均深度、平均宽度、表面粗糙度的原丝，有助于进一步提高聚丙烯腈基石墨纤维的强度。
2)低温碳化，对所述预氧化纤维体进行低温碳化处理，得到低温碳化纤维体。
使预氧化纤维体依次经过5-7个低温碳化温区进行低温碳化；其中，后一个低温碳化温区比前一个低温碳化温区的温度高；第一个低温碳化温区的温度为280～300℃，最后一个低温碳化温区的温度为700～850℃；
较佳的，相邻的两个低温碳化温区之间的温度差为50～120℃；
较佳的，在所述低温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在2～4％；
较佳的，在所述低温碳化步骤中，纤维的停留时间为1～1.5分钟。
在此，本发明通过将预氧化处理设置成上述步骤，能使纤维充分均匀的进行预氧化，且还能确保预氧化纤维体的密度，进而确保碳纤维的强度、模量。
3)高温碳化，对所述低温碳化纤维体进行高温碳化处理，得到高温碳化纤维体。
使低温碳化纤维体依次经过3～6个高温碳化温区进行高温碳化；其中，后一个高温碳化温区比前一个高温碳化温区的温度高；第一个高温碳化温区的温度为1000～1100℃，最后一个高温碳化温区的温度为1340～1430℃；
较佳的，在所述高温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在-4.0～-1.0％；
较佳的，相邻的两个高温碳化温区之间的温差为80～150℃；
较佳的，在所述高温碳化步骤中，纤维的停留时间为0.4～0.6分钟。
在此，本发明通过将高温碳化设置成上述方式，能提高碳纤维的体密度。
在此，高温碳化纤维体的线密度为251～253g/km、体密度为1.80～1.81g/cm3、拉伸强度为5.8～6.02GPa；优选的，所述高温碳化纤维体的单丝直径为5.48～5.56μm。
4)石墨化，对所述高温碳化纤维体进行石墨化处理，得到石墨化纤维体。
在石墨化的步骤中，石墨化处理的温度为2600-2800℃，牵伸比为5～9％、停留时间为0.4～0.8分钟。
在该步骤中，石墨化炉是高纯氩气作为保护气，氧含量低于3ppm，露点低于-65℃，采用双比色测温仪测量石墨炉体温度；全线各段牵伸控制，通过变频牵伸机实现。
5)后处理，对所述石墨化纤维体进行后处理，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
优选的，所述后处理的步骤包括：
表面处理：在电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；优选的，电解液选用碳酸氢铵；优选的，外加电流为1.5～3.0A。
水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水对表面处理后的石墨化纤维进行水洗处理。
干燥：对水洗处理后的石墨化纤维进行干燥处理；其中，干燥处理的温度为50～100℃。该步骤在干燥炉一温区进行。
上浆：对干燥后的石墨化纤维进行上浆处理；优选的，所述上浆液的浓度为0.5％～1.5％；
再干燥：在160～200℃的温度下，对上浆后的石墨化纤维进行干燥处理；该步骤在干燥炉二温区进行。
较佳地，从所述表面处理步骤至所述再干燥步骤，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2～1.5％(即，从表面处理到干燥二温区，对石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比控制在0.2～1.5％)。
最后，收丝即可得到聚丙烯腈基石墨纤维。
较佳的，本申请所采用的原丝的主要通过以下制备方法制备而成：
1)喷丝：根据聚丙烯腈原丝、聚丙烯腈基碳纤维的需求单丝直径，选择不同孔径、长径比的喷丝板，喷丝板的孔径为0.055mm-0.070mm、长径比为1.2-2.5。
2)凝固成型：采用湿法纺丝，聚合液经喷丝板喷出依次进入：缓冲凝固区、第一级凝固成型区、第二级凝固成型区、第三级凝固成型区、第四级凝固成型区。高浓套筒凝固浴与第一级凝固浴组成为二甲基亚砜、水与氨水，其他级凝固浴浴液组成均为二甲基亚砜与水。
在此，纺丝细流先直接进入缓冲凝固区、再进入多级凝固成型区；当纺丝细流进入缓冲凝固区后，会使缓冲凝固区的凝固浴液的浓度增大(55-70％)，形成高凝固浴液浓度区，这样会使纺丝细流的凝固成型趋于缓和，从而改善聚丙烯腈纤维的微观结构，得到具有圆形截面、均匀致密内部结构的聚丙烯腈纤维；而凝固纤维在高浓度的套筒区停留时间较短(不超过10秒)，不致引起凝固纤维粘连。
较佳地，可以通过以下方法增设缓冲凝固区：缓冲凝固区与凝固成型区中的一级凝固成型区相连通。这样，在纺丝细流进入缓冲凝固区前，缓冲凝固区中凝固浴液与一级凝固成型区中凝固浴液的浓度一致。由于缓冲凝固区的体积远小于一级凝固成型区的体积，在纺丝细流进入缓冲凝固区后，会使缓冲凝固区浴液的浓度增加(若纺丝细流直接进入一级凝固成型区后，不会对一级凝固成型区的浓度造成影响)，形成高凝固浴液浓度区。
较佳地，缓冲凝固区可以设置成如下结构：缓冲凝固区包括套筒；其中，套筒的内部通道及内部通道中的凝固浴液形成缓冲凝固区；其中，纺丝细流穿过套筒的内部通道后进入所述一级凝固成型区中。较佳地，套筒具有相对设置的第一端和第二端；其中，套筒的第一端与喷丝装置的喷丝头连接，所述套筒的第二端与所述凝固成型区中的一级凝固成型区连通。较佳地，套筒安置在所述凝固成型区的一级凝固成型区中，且所述套筒的第二端敞口设置；较佳地，所述套筒的长度为100-300mm。较佳地，套筒的内径与喷丝装置的喷丝板的外径之差为1-2mm。较佳地，套筒用固定螺丝固定在喷丝头处，套筒为管状结构。套筒上设置提手方便套筒的拆卸，在拆卸套筒时，只需拧开螺丝，通过提手向远离喷丝头的方向拉套筒后，再将套筒提出即可。套筒的提手和套筒的材质均为316L不锈钢。
a)缓冲凝固
缓冲凝固步骤是在纺丝细流经过缓冲凝固区中时进行。凝固浴液温度为45-65℃；停留时间为1-10s(优选为2-5s)；凝固浴液中的二甲基亚砜质量分数为60-70％；凝固浴液中的氨水物质量浓度为0-0.1mol/L。
b)一级凝固成型
一级凝固成型步骤是在初级凝固丝条经过一级凝固成型区时进行。凝固浴液温度为45-65℃；凝固牵伸率为0.4-1.0倍；停留时间为0.2min-2min；凝固浴液中的二甲基亚砜质量分数为55-68％；凝固浴液中的氨水物质量浓度为0-0.1mol/L。
c)二级凝固成型
二级凝固成型步骤是在一级凝固丝条经过二级凝固成型区时进行。凝固浴液温度为50-70℃；凝固牵伸率为1.0-2.0倍；停留时间为0.2-2min；凝固浴液中的二甲基亚砜质量分数为25-45％。
d)第三级凝固成型
三级凝固成型步骤是在二级凝固丝条经过三级凝固成型区时进行。凝固浴液温度为55-85℃；凝固牵伸率为1.0-2.0倍；停留时间为0.3-1.5min；凝固浴液中的二甲基亚砜质量分数为10-30％。
e)第四级凝固成型
四级凝固成型步骤是在三级凝固丝条经过四级凝固成型区时进行。凝固浴液温度为65-95℃；凝固牵伸率为1.0-2.0倍；停留时间为0.3-1min；凝固浴液中二甲基亚砜质量分数为0-10％。
3)水洗：水洗温度为50-80℃；水洗时间为1.5-3min。
4)热水牵伸：热水牵伸温度为75-95℃；牵伸倍率为1-3倍。
5)上油：使用有机硅油，油剂使用浓度为0.5-3％。
6)干燥致密化：采用梯度干燥致密化工艺。温度梯度级数为6-16级；每级采用不同温度，温度逐级升高。第一级温度为80-100℃；最后一级温度为115-135℃；相邻温度梯度之间的温差为0-8℃；每级干燥致密化时间为4-9s。
7)蒸汽牵伸：以饱和水蒸汽或过热蒸汽为介质，对丝束施加高倍牵伸。蒸汽压力为0.12-0.4MPa；牵伸倍数为1.5-4倍；蒸汽牵伸停留时间：2-5s。
8)收缩热定型：以饱和水蒸汽或过热蒸汽为介质，蒸汽压力为0.06-0.3MPa；牵伸倍率为0.9-1倍；收缩热定型停留时间为2-5s。
经过上述工序得到聚丙烯腈纤维，即原丝。另外，凝固成型和干燥致密化工艺对原丝的沟槽具有很大的影响；通过上述的凝固成型工艺和干燥致密化工艺能实现使原丝的沟槽进行调节。
采用该原丝实施例制备的原丝具有如下特征：6K所述原丝的线密度为505～515g/km(12K原丝的线密度为1010～1030g/Km)、原丝的体密度为1.181～1.191g/cm3、单丝直径为9～11μm，优选为9.5-10.7μm；原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm；原丝的截面为圆形或近似圆形；原丝的取向度为89.7-93.4％；原丝的结晶度为55.4～60.3。
如图1和图2所示，取一定量的原丝对其沟槽平均深度、沟槽平均宽度及表面粗糙度进行测量，发现原丝的沟槽平均深度主要为0.2～0.5μm、沟槽平均宽度主要为0.1～0.4μm。另外，对原丝的表面粗糙度进行测量，发现原丝粗糙度平均值Ra主要为0.0182～0.0201μm。
下面结合实施例对本发明进一步详细说明如下：
实施例1
选用直径为9.0μm、体密度为1.181g/cm3、线密度为510g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2800℃的石墨化炉，牵伸比控制在6％，纤维的停留时间控制在0.8分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加电流控制在1.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在50℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在200℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例2
选用直径为9.0μm、体密度为1.181g/cm3、线密度为510g/Km、沟槽平均深度为0.5μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0194μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过280℃第一低温碳化温区、330℃第二低温碳化温区、430℃第三低温碳化温区、530℃第四低温碳化温区、630℃第五低温碳化温区、730℃第六低温碳化温区、850℃的第七低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在1.5％，纤维的停留时间控制在1.9分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1000℃的第一高温碳化温区、1350℃的第二高温碳化温区、1400℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2700℃的石墨化炉，牵伸比控制在8％，纤维的停留时间控制在0.7分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在1.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在50℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在200℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例3
选用直径为9.6μm、体密度为1.185g/cm3、线密度为515g/Km、沟槽平均深度为0.3μm，平均宽度为0.1μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0201μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过280℃第一低温碳化温区、330℃第二低温碳化温区、430℃第三低温碳化温区、530℃第四低温碳化温区、630℃第五低温碳化温区、730℃第六低温碳化温区、850℃的第七低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在1.5％，纤维的停留时间控制在1.9分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1000℃的第一高温碳化温区、1350℃的第二高温碳化温区、1400℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在8％，纤维的停留时间控制在0.7分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在1.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在50℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在200℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例4
选用直径为9.6μm、体密度为1.185g/cm3、线密度为515g/Km、沟槽平均深度为0.3μm，平均宽度为0.3μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0201μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入200℃的第一氧化温区、218℃的第二氧化温区、230℃的第三氧化温区及243℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过280℃第一低温碳化温区、330℃第二低温碳化温区、430℃第三低温碳化温区、530℃第四低温碳化温区、630℃第五低温碳化温区、730℃第六低温碳化温区、850℃的第七低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在1.5％，纤维的停留时间控制在1.9分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1000℃的第一高温碳化温区、1350℃的第二高温碳化温区、1400℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在8％，纤维的停留时间控制在0.7分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在1.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在50℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在200℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例5
选用直径为9.0μm、体密度为1.181g/cm3、线密度为510g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入200℃的第一氧化温区、220℃的第二氧化温区、228℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在8％，纤维的停留时间控制在0.7分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在3A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例6
选用直径为9.6μm、体密度为1.185g/cm3、线密度为515g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在9％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在3A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例7
选用直径为9.6μm、体密度为1.185g/cm3、线密度为515g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2800℃的石墨化炉，牵伸比控制在9％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解的电流控制在3A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例8
选用直径为9.0μm、体密度为1.181g/cm3、线密度为510g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2800℃的石墨化炉，牵伸比控制在9％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在2.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例9
选用直径为9.6μm、体密度为1.185g/cm3、线密度为515g/Km、沟槽平均深度为0.4μm，平均宽度为0.2μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0195μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2800℃的石墨化炉，牵伸比控制在7％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解时，外加的电流控制在2.5A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为1.5％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例10
选用直径为10.5μm、体密度为1.187g/cm3、线密度为514g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在9％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解的电流控制在3A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
实施例11
选用直径为10.7μm、体密度为1.191g/cm3、线密度为513g/Km、沟槽平均深度为0.2μm，平均宽度为0.4μm，表面粗糙度平均值Ra为0.0182μm的6K聚丙烯腈纤维原丝；
原丝依次经过氧化炉，低温碳化炉，高温碳化炉，石墨化炉，电解液处理，水洗，干燥炉体一，上浆，干燥炉体二，最后卷绕成型收丝。全线各工序段给与适当的牵伸，通过变频牵伸机传动实现。具体步骤如下：
1)预氧化：使原丝依次进入195℃的第一氧化温区、215℃的第二氧化温区、227℃的第三氧化温区及245℃的第四氧化温区后得到预氧化纤维体。
其中，在第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在1.5％；在第二氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0.2％；在第三氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在0；在第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比控制在-0.6％。原丝在氧化温区停留的总时间控制在35分钟。
2)低温碳化：使预氧化纤维体依次经过300℃第一低温碳化温区、420℃第二低温碳化温区、520℃第三低温碳化温区、600℃第四低温碳化温区、650℃第五低温碳化温区、750℃第六低温碳化温区后，得到低温碳化纤维体；
其中，在低温碳化的步骤中，牵伸比控制在2％，纤维的停留时间控制在1.5分钟。
3)高温碳化：使低温碳化体依次经过1050℃的第一高温碳化温区、1200℃的第二高温碳化温区、1350℃的第三高温碳化温区后，得到高温碳化纤维体。
其中，在高温碳化的步骤中，牵伸比控制在-4.％，纤维的停留时间控制在0.4分钟。
4)石墨化：高温碳化后的纤维体经过2750℃的石墨化炉，牵伸比控制在9％，纤维的停留时间控制在0.5分钟。
5)表面处理：在碳酸氢铵电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；其中，电解的电流控制在3A。
6)水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水清洗表面处理后的石墨纤维体；
7)干燥：使水洗处理后的石墨纤维体在干燥炉一温区内进行干燥处理，干燥处理的温度控制在100℃。
8)上浆：对干燥处理后的石墨纤维体进行上浆，其中，上浆液浓度配置在1％。
9)再干燥：使上浆后的石墨纤维体在干燥二温区内进行干燥处理；其中，再干燥的温度控制在170℃。
其中，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2％。
10)最后卷绕成型，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
对实施例1-实施例11制备的高温碳化纤维体、及聚丙烯腈基石墨纤维进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1为实施例1-实施例11制备的高温碳化纤维体及聚丙烯腈基石墨纤维的性能测试数据
从表1可以看出：本发明实施例制备的聚丙烯腈基石墨纤维的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率均较好；且本发明制备的聚丙烯腈基石墨纤维的线密度较大；因此，本发明实施例制备的聚丙烯腈基石墨纤维在制成石墨纤维复合材料构件时，能使石墨纤维复合材料构件的热膨胀系数低、导电性高、热稳定性好、尺寸稳定好。综上，本发明实施例制备的聚丙烯腈基石墨纤维具有优异的力学性能，满足高强、高模的各个指标的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种聚丙烯腈基石墨纤维，其特征在于，所述聚丙烯腈基石墨纤维的拉伸强度为4.01～4.46GPa、拉伸模量为541～547GPa、体密度为1.89～1.91g/cm3；优选的，6K聚丙烯腈基石墨纤维的线密度为215～218g/km。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基石墨纤维，其特征在于，所述聚丙烯腈基石墨纤维的断裂伸长率为0.71～0.80％；和/或
所述聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为4.96～5.18μm；优选的，所述聚丙烯腈基石墨纤维的单丝直径为5.00～5.18μm。
3.一种权利要求1或2所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
预氧化：对原丝进行预氧化处理，得到预氧化纤维体；其中，所述原丝为聚丙烯腈纤维；所述原丝的体密度为1.181～1.191g/cm3、单丝直径为9～11μm，优选为9.5-10.7μm；优选的，6K原丝的线密度为505～515g/Km；优选的，所述原丝的沟槽平均深度0.2～0.5μm、沟槽平均宽度为0.1～0.4μm、表面粗糙度平均值Ra为0.0182～0.0201μm；优选的，所述原丝的截面为圆形或近似圆形；
低温碳化：对所述预氧化纤维体进行低温碳化处理，得到低温碳化纤维体；
高温碳化：对所述低温碳化纤维体进行高温碳化处理，得到高温碳化纤维体；
石墨化：对所述高温碳化纤维体进行石墨化处理，得到石墨化纤维体；
后处理：对所述石墨化纤维体进行后处理，得到聚丙烯腈基石墨纤维。
4.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述高温碳化纤维体的线密度为251～253g/km、体密度为1.80～1.81g/cm3、拉伸强度为5.8～6.02GPa；
优选的，所述高温碳化纤维体的单丝直径为5.48～5.56μm。
5.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述预氧化的步骤包括：使所述原丝依次经过4～6个氧化温区进行预氧化处理；其中，后一个氧化温区比前一个氧化温区的温度高；第一个氧化温区的预氧化温度为195～200℃，最后一个氧化温区的预氧化温度为240～245℃；
优选的，原丝在氧化温区的总停留时间为35～45分钟；
优选的，所述氧化温区为4个，具体为第一氧化温区、第二氧化温区、第三氧化温区及第四氧化温区；其中，在所述第一氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为1～1.5％；在所述第二氧化温区中，预氧化温度为215～220℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为0.2～0.9％；在所述第三氧化温区中，预氧化温度为240～245℃、对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.2～-0.2％；在所述第四氧化温区中，对原丝施加牵伸的总牵伸比为-0.6～-0.2％。
6.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述低温碳化的步骤包括：使预氧化纤维体依次经过5-7个低温碳化温区进行低温碳化；其中，后一个低温碳化温区比前一个低温碳化温区的温度高；第一个低温碳化温区的温度为280～300℃，最后一个低温碳化温区的温度为700～850℃；
优选的，相邻的两个低温碳化温区之间的温度差为50～120℃；
优选的，在所述低温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在2～4％；
优选的，在所述低温碳化步骤中，纤维的停留时间为1～1.5分钟。
7.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的步骤包括：使低温碳化纤维体依次经过3～6个高温碳化温区进行高温碳化；其中，后一个高温碳化温区比前一个高温碳化温区的温度高；第一个高温碳化温区的温度为1000～1100℃，最后一个高温碳化温区的温度为1340～1430℃；
优选的，在所述高温碳化步骤中，对纤维施加牵伸的牵伸比控制在-4.0～-1.0％；
优选的，相邻的两个高温碳化温区之间的温差为80～150℃；
优选的，在所述高温碳化步骤中，纤维的停留时间为0.4～0.6分钟。
8.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，在所述石墨化的步骤中，石墨化处理的温度为2600-2800℃，对纤维施加牵伸的牵伸比为5～9％、纤维的停留时间为0.4～0.8分钟。
9.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述后处理的步骤包括：
表面处理：在电解液中，利用阳极氧化法对石墨化纤维进行表面处理；优选的，电解液选用碳酸氢铵；优选的，电解时，直流电源提供的外加电流为1.5～3.0A；
水洗：采用电导率低于0.2μs/cm的去离子水对表面处理后的石墨化纤维进行水洗处理；
干燥：对水洗处理后的石墨化纤维进行干燥处理；其中，干燥处理的温度为50～100℃。
10.根据权利要求9所述的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述后处理的步骤还包括：
上浆：对干燥后的石墨化纤维进行上浆处理；优选的，所述上浆液的浓度为0.5％～1.5％；
再干燥：在160～200℃的温度下，对上浆后的石墨化纤维进行干燥处理；
优选的，从开始所述表面处理步骤至所述再干燥步骤的结束，对所述石墨化纤维施加牵伸的总牵伸比为0.2～1.5％。
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