CN114990735A - 一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置 - Google Patents

一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置，采用光场分布均匀的激光束辐照加热碳纤维预制品，未被碳纤维预制品吸收的光在圆形腔体内表面发生漫反射以实现对碳纤维预制品的再次均匀加热，通过不断充入氮气来阻止碳纤维预制品发生高温氧化，并将释放的气体快速排放出，加热激光功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性和稳定性。该碳纤维激光碳化隧道制备装置包括加热激光模组(1)、固定块(2)、光学窗口板(3)、反射腔体(4)、石英管(5)、固定座(6)、左端板(7)、基座(8)、充气板(9)、联接板(10)和右端板(11)。该制备方法和装置具有预热时长短可随时启停、能量利用率高、生产效率高及设备体积小等优点。

Description

一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置
技术领域
本发明涉及一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置，属于激光应用技术领域。
背景技术
在碳纤维制备中，碳纤维通常是聚丙烯腈原丝通过预氧化、碳化、石墨化、表面处理及干燥等工艺过程制备出来的，聚丙烯腈原丝经过预氧化工艺后颜色由白色变为黑色，在高纯氮气氛围进行高温碳化除去非碳原子(如N、H、O等)，通常碳化的高温范围为300℃～1800℃，根据不同的工艺线要求通常采用不同的碳化温度。目前，碳化工艺过程主要是通过电热管或电磁加热碳化炉内的环境气体来实现高温，通过环境气体把热量传输给碳纤维预制品，设备能耗高、生产效率低，耗电量庞大。此外，如此高温状态意味着设备工作过程中不能出现任何差错，一旦设备重启，对于碳化设备预热过程往往需要十几个小时甚至二十几个小时。
发明内容
针对传统碳化装置预热周期长、能耗高，能源浪费严重且生产效率低的问题，本发明提供了一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种碳纤维激光碳化隧道制备方法，该方法是采用光场分布均匀的激光束辐照加热碳纤维预制品，碳纤维预制品吸收光并快速升温，未被碳纤维预制品吸收的光在陶瓷腔体内表面发生漫反射并在腔体内部形成均匀的光场，漫反射光实现对碳纤维预制品的再次均匀加热，从而使碳纤维预制品快速升温到设定的碳化温度；在碳化过程中不断充入氮气来阻止碳纤维预制品发生高温氧化，同时将碳化过程中释放的气体快速排放出碳化隧道；随着激光辐照碳化时间的加长，相应的碳纤维预制品对光的吸收效率在提高，加热的激光功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性。
如附图1和附图2所示，本发明提供的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置包括加热激光模组1、固定块2、光学窗口板3、反射腔体4、石英管5、固定座6、左端板7、基座8、充气板9、联接板10和右端板11；
所述的加热激光模组1优选波长位于800nm至1100nm波段间的半导体激光器或光纤激光器，其辐照在碳纤维预制品表面为光强分布均匀的方形光斑，从左至右的多个加热激光模组1输出功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性，通过外接螺钉固定在固定块2上，用于加热碳纤维丝束预制品；
所述的固定块2为金属材质的长方形槽，通过外接螺钉固定在固定座6上，用于装夹固定加热激光模组1；
所述的光学窗口板3为石英材质的长方形光学玻璃，其上表面镀制对800nm～1100nm波段的增透膜(透射率不低于95％)，通过粘接剂粘接在固定座6上，用作加热激光模组1的光学窗口；
所述的反射腔体4为侧面开有长条通光孔的陶瓷材质圆环柱体，置于固定座6的圆孔内，其长度与固定座6的长度相等，对未被碳纤维预制品吸收的光漫反射，从而在腔体内充满均匀的光场，该光场均匀辐照加热碳纤维预制品；
所述的石英管5为石英材质的扁O型管，其两端通过耐高温硅胶粘接在左端板7和充气板8内部槽中，碳纤维预制品在充满一定压力氮气的管内部传送，从而将碳纤维预制品在碳化过程中释放的气体排出；
所述的固定座6为内部含有圆孔的316L不锈钢材质长方体，其内孔直径比反射腔体4外圆直径大0.2mm～0.5mm，两端分别通过外接螺钉固定在左端板7和充气板8上，其底部有水循环通道，用于支撑反射腔体4并将其中的废热导出；
所述的左端板7、充气板9、联接板10和右端板11为含有长条孔的316L不锈钢板，内部含有能嵌入石英管5端面的槽，通过外接螺钉与固定座6相连接；左端板7和和右端板11底部通过外接螺钉与基座8相连接，用作所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置的支撑座；充气板9通过外接螺钉与联接板10相连接，充气板9的顶部有可以向所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置内充入氮气的孔；碳纤维预制品通过其长条孔进入所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置；
所述的基座8为不锈钢材质的金属板，用作所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置的底座。
有益效果：本发明提供的一种碳纤维激光碳化隧道制备方法和装置，采用激光束拼接成长方条均匀光斑辐照加热碳纤维预制品，为保证碳化温度场的均匀性，从左至右的多个加热激光模组输出功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性，该制备方法和装置具有预热时长短可随时启停、能量利用率高、加热速度快且瞬间高温、设备体积小等优点，利于提高碳纤维的质量、生产效率和产能，大幅降低能耗，有利于降低碳纤维的生产制造成本。
附图说明
图1是一种碳纤维激光碳化隧道制备装置主视图。
图2是一种碳纤维激光碳化隧道制备装置右视图。
图中：1-加热激光模组，2-固定块，3-光学窗口板，4-反射腔体，5-石英管，6-固定座，7-左端板，8-基座，9-充气板，10-联接板，11-右端板。
具体实施方式
实施例1一种特种纤维激光隧道制备方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种碳纤维激光碳化隧道制备方法，该方法是采用光场分布均匀的激光束辐照加热碳纤维预制品，碳纤维预制品吸收光并快速升温，未被碳纤维预制品吸收的光在陶瓷腔体内表面发生漫反射并在腔体内部形成均匀的光场，漫反射光实现对碳纤维预制品的再次均匀加热，从而使碳纤维预制品快速升温到设定的碳化温度；在碳化过程中不断充入氮气来阻止碳纤维预制品发生高温氧化，同时将碳化过程中释放的气体快速排放出碳化隧道；随着激光辐照碳化时间的加长，相应的碳纤维预制品对光的吸收效率在提高，加热的激光功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性。
如附图1和附图2所示，本发明提供的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置包括加热激光模组1、固定块2、光学窗口板3、反射腔体4、石英管5、固定座6、左端板7、基座8、充气板9、联接板10和右端板11；
所述的加热激光模组1为波长位于800nm至1100nm波段间的半导体激光器或光纤激光器，其辐照在碳纤维预制品表面为光强分布均匀的方形光斑，从左至右的八个加热激光模组1输出功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性，通过外接螺钉固定在固定块2上，用于加热碳纤维丝束预制品；
所述的固定块2为金属材质的长方形槽，通过外接螺钉固定在固定座6上，用于装夹固定加热激光模组1；
所述的光学窗口板3为石英材质的长方形光学玻璃，其上表面镀制对800nm～1100nm波段的增透膜(透射率为99.5％)，通过粘接剂粘接在固定座6上，用作加热激光模组1的光学窗口；所述的反射腔体4为侧面开有长条通光孔的陶瓷材质圆环柱体，置于固定座6的圆孔内，其长度与固定座6的长度相等，对未被碳纤维预制品吸收的光漫反射，从而在腔体内充满均匀的光场，该光场均匀辐照加热碳纤维预制品；
所述的石英管5为石英材质的扁O型管，其两端通过耐高温硅胶粘接在左端板7和充气板8内部槽中，碳纤维预制品在充满一定压力氮气的管内部传送，从而将碳纤维预制品在碳化过程中释放的气体排出；
所述的固定座6为内部含有圆孔的316L不锈钢材质长方体，其内孔直径比反射腔体4外圆直径大0.2mm～0.5mm，两端分别通过外接螺钉固定在左端板7和充气板8上，其底部有水循环通道，用于支撑反射腔体4并将其中的废热导出；
所述的左端板7、充气板9、联接板10和右端板11为含有长条孔的316L不锈钢板，内部含有能嵌入石英管5端面的槽，通过外接螺钉与固定座6相连接；左端板7和和右端板11底部通过外接螺钉与基座8相连接，用作所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置的支撑座；充气板9通过外接螺钉与联接板10相连接，充气板9的顶部有可以向所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置内充入氮气的孔；碳纤维预制品通过其长条孔进入所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置；
所述的基座8为不锈钢材质的金属板，用作所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置的底座。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种碳纤维激光碳化隧道制备方法，其特征在于该方法采用光场分布均匀的激光束辐照加热碳纤维预制品，碳纤维预制品吸收光并快速升温，未被碳纤维预制品吸收的光在陶瓷腔体内表面发生漫反射并在腔体内部形成均匀的光场，漫反射光实现对碳纤维预制品的再次均匀加热，从而使碳纤维预制品快速升温到设定的碳化温度；在碳化过程中不断充入氮气来阻止碳纤维预制品发生高温氧化，同时将碳化过程中释放的气体快速排放出碳化隧道；随着激光辐照碳化时间的加长，相应的碳纤维预制品对光的吸收效率在提高，加热的激光功率逐渐递减以保证碳化温度场的均匀性。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备方法所采用的装置，其特征在于包括加热激光模组(1)、固定块(2)、光学窗口板(3)、反射腔体(4)、石英管(5)、固定座(6)、左端板(7)、基座(8)、充气板(9)、联接板(10)和右端板(11)；
所述的加热激光模组(1)优选波长位于800nm至1100nm波段间的半导体激光器或光纤激光器，其辐照在碳纤维预制品表面为光强分布均匀的方形光斑，从左至右的多个加热激光模组(1)输出功率逐渐递减，通过外接螺钉固定在固定块(2)上；
所述的固定块(2)为金属材质的长方形槽，通过外接螺钉固定在固定座(6)上；
所述的光学窗口板(3)为石英材质的长方形光学玻璃，其上表面镀制对800nm～1100nm波段的增透膜(透射率不低于95％)，通过粘接剂粘接在固定座(6)上；
所述的反射腔体(4)为侧面开有长条通光孔的陶瓷材质圆环柱体，置于固定座(6)的圆孔内，其长度与固定座(6)的长度相等；
所述的石英管(5)为石英材质的扁O型管，其两端通过耐高温硅胶粘接在左端板(7)和充气板(8)内部槽中，碳纤维预制品在其充满一定压力氮气的管内部传送；
所述的固定座(6)为内部含有圆孔的316L不锈钢材质长方体，其内孔直径比反射腔体(4)外圆直径大0.2mm～0.5mm，两端分别通过外接螺钉固定在左端板(7)和充气板(8)上，其底部有水循环通道；
所述的左端板(7)、充气板(9)、联接板(10)和右端板(11)为含有长条孔的316L不锈钢板，内部含有能嵌入石英管(5)端面的槽，通过外接螺钉与固定座(6)相连接；左端板(7)和和右端板(11)底部通过外接螺钉与基座(8)相连接；充气板(9)通过外接螺钉与联接板(10)相连接，充气板(9)的顶部有可以向所述的一种碳纤维激光碳化隧道制备装置内充入氮气的孔；
所述的基座(8)为不锈钢材质的金属板。
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