CN110257960A - 一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，在碳纤维入口和碳纤维出口之间设有玻璃管，在碳纤维出口的加热腔体过渡管上开有多个测温孔，通过红外探头观测温度，进气口连接有惰性气体源，在加热腔体上还安装有调谐螺钉，在加热腔体的左侧面上还设有馈电端口，固态微波源通过耦合器连接馈电端口，在加热腔体内还安装有与玻璃管平行的耦合杆，所述的耦合杆的一端与馈电端口连接。本发明在加热腔体主体上有进气口和出气口，并有一定的压力，这样就既可以对玻璃管进行冷却，同时也避免的碳纤维的扰动；在碳纤维的输出端，利用红外探头对其进行直接测温，且预留了多个测温孔，方便对碳纤维的温度进行对比检测。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维加工技术领域，尤其涉及一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体。
背景技术
碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。在高温的条件下，碳纤维中石墨微晶沿轴取向度增加，尺寸增大，完善度扩大，碳纤维石墨化温度必须要在2000℃以上，才能形成高模量、高强度的碳纤维。目前国际上通用的石墨化碳纤维工艺是采用石墨化炉，包括高频石墨化炉和电阻石墨化炉，石墨化炉设备造价高昂，加热效率低，连续运行工作寿命短，不能满足高强度或高模量碳纤维低成本、大批量连续生产要求。
微波加热不同于一般的由外部热源通过辐射由表及里的传导式加热，而是材料在电磁场中由于介质损耗而引起的体积加热。微波加热碳纤维就是基于这一原理。随着微波加热技术的成熟，我们将微波加热的方式引入到碳纤维石墨化的过程。微波加热可以有效的解决传统高温炉加热的碳纤维表面和内部芯部温度不均的“皮芯”现象，寿命长，成本低。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，包括有加热腔体，在加热腔体的左右侧面上分别设有碳纤维入口和碳纤维出口，在碳纤维入口和碳纤维出口之间设有玻璃管，在碳纤维入口和碳纤维出口上分别连接有加热腔体过渡管，在碳纤维出口的加热腔体过渡管上开有多个测温孔，通过红外探头观测温度，在加热腔体的上面和下面分别开有进气口和出气口，进气口连接有惰性气体源，在加热腔体上还安装有调谐螺钉，在加热腔体的左侧面上还设有馈电端口，固态微波源通过耦合器连接馈电端口，在加热腔体内还安装有与玻璃管平行的耦合杆，所述的耦合杆的一端与馈电端口连接。
所述的馈电端口为DIN7-16型同轴线馈电结构，匹配相应的微波传输线。
所述的固态微波源频率为433MHz或915MHz或2450MHz，带宽为10MHz-100MHz，功率为0-1KW可调，固态源和腔体之间通过耦合器监测入射功率、反射功率。
所述的惰性气体源的压力为1bar-10bar，用于排除腔体内的空气。
所述的测温孔直径为2-10mm。
所述的耦合杆为实心铜杆，直径在5mm-10mm之间。
所述的调谐螺钉为直径10mm、长度10mm-30mm的钢制螺丝，通过调节螺丝旋入加热腔体内的长度来改变电磁场分布。
所述调谐螺钉可以通过改变物理结构来实现频率的微调。
驻波比比小于1.1时，默认调节到最佳频率。固态微波源的频率可以调节，同时调谐螺钉长度的调节也可以适当改变谐振频率，两者共同作用，对入射功率反射功率的变化进行观察，当驻波比小于1.1时，默认调节到最佳频率。
通过调节输入微波功率实现碳纤维加热。
加热腔体一侧开或多个直径2-10mm的孔，利用红外探头观测碳纤维的温度。
本发明固态微波源通过馈电端口经过耦合杆将微波能转化为电场，况且在玻璃管中心位置形成最大场强，达到加热碳纤维的目的。固态微波源有一定的带宽，圆柱加热腔体可以通过调节调谐螺钉的长度来对谐振频率微调，两者共同作用，通过检测入射功率反射功率来观察是否达到最佳匹配点。通过出口处过渡管上的孔，利用红外探头观测碳纤维的温度，随着输入功率的增加，碳纤维的温度可以不断上升，达到石墨化温度。
本发明的优点是：本发明的加热腔体可以适用于433、915、2450频段，适用范围广；在加热腔体主体上有进气口和出气口，并有一定的压力，这样就既可以对玻璃管进行冷却，同时也避免的碳纤维的扰动；在碳纤维的输出端，利用红外探头对其进行直接测温，且预留了多个测温孔，方便对碳纤维的温度进行对比检测；只保留一个调谐螺钉，馈电端口与加热腔体直接连接，这种形状加工方便，而且经测试，一个调谐螺钉对腔体谐振频率改变在±20MHz，固态源的带宽为10M-100M，两者的配合完全可以让腔体和固态源匹配；通过调节螺钉和具有一定带宽的固态源来进行匹配调节，同时判断方式为驻波比小于1.1即可认为匹配，不需要对温度进行监测，简化了程序。
附图说明
图1为本发明工作原理示意图。
图2为本发明外部结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，包括有加热腔体1，在加热腔体1的左右侧面上分别设有碳纤维入口2和碳纤维出口3，在碳纤维入口和碳纤维出口之间设有玻璃管4，在碳纤维入口2和碳纤维出口3上分别连接有加热腔体过渡管5，在碳纤维出口3的加热腔体过渡管5上开有多个测温孔6，通过红外探头观测温度，在加热腔体1的上面和下面分别开有进气口7和出气口8，进气口7连接有惰性气体源，在加热腔体1上还安装有调谐螺钉9，在加热腔体1的左侧面上还设有馈电端口10，固态微波源11通过耦合器12连接馈电端口10，在加热腔体1内还安装有与玻璃管4平行的耦合杆13，所述的耦合杆13的一端与馈电端口10连接。
所述的馈电端口10为DIN7-16型同轴线馈电结构，匹配相应的微波传输线。
所述的固态微波源11频率为433MHz或915MHz或2450MHz，带宽为10MHz-100MHz，功率为0-1KW可调，固态源和腔体之间通过耦合器监测入射功率、反射功率。
所述的惰性气体源的压力为1bar-10bar，用于排除腔体内的空气。
所述的测温孔6直径为2-10mm。
所述的耦合杆13为实心铜杆，直径在5mm-10mm之间。
所述的调谐螺钉9为直径10mm、长度10mm-30mm的钢制螺丝，通过调节螺丝旋入加热腔体内的长度来改变电磁场分布。
固态微波源11通过耦合器12连接至馈电端口10，馈电端的位置距圆柱加热腔体中心位置20mm-50mm，根据不同的频率改变。馈电端口与耦合杆连接，耦合杆为实心铜杆，直径在5mm-10mm之间。耦合杆的长度与圆柱形加热腔体的高度一致，耦合杆的作用是将馈入端口通入的微波能在圆柱腔体中心位置即玻璃管中心位置形成很强的电场，加热玻璃管中的碳纤维。
圆柱形加热腔体有两个孔，分别为进气孔和出气孔，进气孔连接一定压力的气体，压力为1bar-10bar，气体可以为氮气、氩气等惰性气体，通过风冷来对玻璃管降温。
调谐螺钉9为直径10mm，长度10mm-30mm的钢制螺丝，通过调节螺丝旋入腔体内的长度来改变电磁场分布，从而达到对谐振频率微调的目的，经测试，控制调谐螺钉改变频率的范围可以在±20MHz内。
固态微波源11的功率可以在0-1000W调节，通过调节输入功率的大小来实现对碳纤维温度的控制，此外固态微波源具有100MHz的带宽，在调谐螺钉的共同作用下，实现匹配，保证电场强度在炭纤维处最大。通过耦合器实时观测入射功率和反射功率，当驻波比≤1.1时，认为达到最佳频率，实现完全匹配。
在出口端加热腔体过渡管5中，有并排三个测温孔6，每个测温孔上接一个圆柱形铝管，管的直径与红外探头口径一致，管的高度必须为使用频率波长的四分之一，这样可以有效的减少微波泄露，同时最大限度的避免微波对温度的影响。
传统的高温石墨化炉，体积巨大，能耗高，不能长时间稳定运行，所以造成了高质量的碳纤维量少价高。采用微波加热的方式，只需要较小体积的耦合加热腔体，由于微波加热采用的是空间加热，没有能量在外壁耗散，所以具有很高的效率。这种方式可以稳定的连续运行，采用该加热腔体生产出来的高质量的碳纤维性价比高，而且理论上可以制备更高质量的碳纤维。
Claims (7)
1.一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：包括有加热腔体，在加热腔体的左右侧面上分别设有碳纤维入口和碳纤维出口，在碳纤维入口和碳纤维出口之间设有玻璃管，在碳纤维入口和碳纤维出口上分别连接有加热腔体过渡管，在碳纤维出口的加热腔体过渡管上开有多个测温孔，通过红外探头观测温度，在加热腔体的上面和下面分别开有进气口和出气口，进气口连接有惰性气体源，在加热腔体上还安装有调谐螺钉，在加热腔体的左侧面上还设有馈电端口，固态微波源通过耦合器连接馈电端口，在加热腔体内还安装有与玻璃管平行的耦合杆，所述的耦合杆的一端与馈电端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的馈电端口为DIN7-16型同轴线馈电结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的固态微波源频率为433MHz或915MHz或2450MHz，带宽为10MHz-100MHz，功率为0-1KW可调。
4.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的惰性气体源的压力为1bar-10bar。
5.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的测温孔直径为2-10mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的耦合杆为实心铜杆，直径在5mm-10mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体，其特征在于：所述的调谐螺钉为直径10mm、长度10mm-30mm的钢制螺丝，通过调节螺丝旋入加热腔体内的长度来改变电磁场分布。
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|---|---|---|---|---|
| CN1696365A (zh) * | 2004-05-11 | 2005-11-16 | 陈新谋 | 碳纤维石墨化加工微波热反应装置及加工工艺 |
| CN106521712A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-03-22 | 北京化工大学 | 一种碳纤维可控激光式超高温石墨化装置 |
| CN109594151A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种优化碳纤维石墨化的设备 |
| CN210826464U (zh) * | 2019-07-15 | 2020-06-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种用于碳纤维石墨化的微波加热腔体 |
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