DE2049299C3 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Graphitfäden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Graphitfäden und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art
Eur kontinuierlichen Herstellung von Graphitfäden.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art
zur Durchführung des Verfahrens.
In neuerer Zeit werden Fäden geringer Dicke und großer Elastizitätsmodulwerte als Verstärkungswerkstoff
in der Leichtbautechnik verwendet Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Kohlenstoffäden in
Form von Einzelfäden oder in Form von mehreren, kontinuierlichen Fäden oder in Form von Garnen aus
mehreren Fäden. Zur Herstellung von Fadensträngen mit den gewünschten Eigenschaften, insbesondere mit
ausreichend hoher Festigkeit und ausreichend großen Modulwerten, muß das Ausgangsmaterial einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, um es auf eine Graphitisierungstemperatur von mindestens 25000C
und möglichst darüber zu erhitzen. Da Kohlenstoff bei solchen Temperaturen bereits sublimiert, ist es notwendig,
die Graphitisierungstemperatur innerhalb sehr kurzer Zeit(z. B. 10-30 s)zu erreichen und zu halten.
Bei einem bekannten Verfahren (SW-PS 20 16 66) zur Graphitisierung eines Kohlenstoff enthaltenden Produktes
wird dieses auf die Graphitisierungstemperatur erhitzt, indem durch das Produkt elektrischer Strom
hindurchgeleitet wird, welcher ihm durch zwei Rollen an zwei in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten
Stellen zugeführt wird. Das Produkt wird durch die Rollen kontinuierlich angetrieben und durch eine
gasförmige Atmosphäre hindurchgeführt, die den Raum zwischen den beiden Rollen ausfüllt Nachteilig ist dabei,
ίο daß eine mechanische Berührung zwischen dem
fadenförmigen Produkt erforderlich ist, durch die sich die Gefahr eines Verschleißes des Produkts ergibt, und
daß sich offenbar nur Graphitisierungstemperaturen bis
zu 30000C erreichen lassen.
Weiter ist ein Verfahren bekannt (US-PS 33 99 252), durch das Stränge aus einem organischen Polymer in
hochfesten und große Modulwerte aufweisenden Kohlenstoff durch Anwendung von Wärme und/oder
Zugspannung umgewandelt werden. Dabei wird der Strang durch eine Glimmentladungsröhre hindurchgeführt
die Sekundärelektroden enthält, welche mit einem Pol einer Gleichstromquelle verbunden sind. Der Strang
dient als Primärelektrode, da er in direkter körperlicher Berührung mit elektrisch leitenden Rädern ist welche
mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbunden sind. Bei diesem bekannten Verfahren wird die
Ionisierung einer Argonatmosphäre in der Glimmentladungsröhre für das Hindurchleiten eines elektrischen
Stromes durch eine ionisierte Wolke benutzt. Aufgrund der Berührung zwischen dem Strang und den Rädern
weist dieses Verfahren die gleichen Nachteile auf wie das erstgenannte bekannte Verfahren.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art und eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art
zur Durchführung des Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Graphitfäden derart zu verbessern, daß
die Gefahr eines Verschleißes der Fäden beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. des
Patentanspruchs 5 angegebenen Merkmale gelöst
Gemäß der Erfindung werden die carbonisierten Fäden durch Induktionserwärmung erhitzt nicht aber
dadurch, daß ein Strom durch sie hindurchgeleitet wird. Dadurch wird die mechanische Berührung mit zwei mit
einer Stromquelle verbundenen Klemmen vermieden. Außerdem wird gemäß der Erfindung eine Hochfrequenz-Induktionserwärmung
angewandt, wodurch sich
so eine Graphitisierungstemperatur von bis zu 3500° C
erzielen läßt Dabei ist keine Ionisierung einer Atmosphäre erforderlich. Da keine mechanische Berührung
mit den Kohlenstoffäden erforderlich ist wird nicht nur die Gefahr eines Verschleißes der Fäden,
sondern auch die Notwendigkeit von Dichtungen aus flüssigem Quecksilber od. dgl. vermieden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung können als fadenförmiges organisches, Ausgangsmaterial
carbonisierte organische Polymere oder handelsübliche carbonisierte Zellulosefasern verwendet
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert
Die Zeichnung zeigt in Seitenansicht und im Schnitt eine Vorrichtung mit einem Viertelwellenlänge-Resonanzhohiraum.
Der Resonanzhohlraum 10 besitzt eine äußere,
Der Resonanzhohlraum 10 besitzt eine äußere,
rohrförmige, elektrisch leitende Umhüllung 12, an welcher über einen oberen, ringförmigen Flansch 14 und
einen unteren, ringförmigen Flansch 16 eine innere, zylindrische Induktionsröhrchenanordnung IS gehaltert
Ist Die Induktionsröhrenanordnung 18 besitzt eine elektrische Länge von einem Viertel aer Wellenlänge λ
und ist mit einem verstellbaren Kondensator 20 ausgerüstet, der eine bewegbare obere Kondensatorplatte
21 besitzt, die in den oberen Flansch 14 eingeschraubt ist. Mit dieser Vorrichtung läßt sich ein
Bereich von Potentialgefällen solcher Größe erzeugen, daß carbonisierte oder nahezu vollständig carbonisierte
Ausgangswerkstoffe, beispielsweise carbonisierte organische Polymere oder handelsübliche carbonisierte
Cellulosewerkstoffe augenblicklich auf die Graphitisierungstemperaturen
erhitzt werden können. Das carbonisierte fadenförmige Ausgangsmaterial kann aus mehreren Fasern in der jeweiligen Stapellänge oder aus
einem oder mehreren, durchgehenden oder verhältnismäßig langen Einzelfäden bestehen. In der Zeichnung
hat das zu graphitisierende Ajisgangsrnaterial die Form
eines einzelnen Kohlenstoffadens 22, welcher durch die Vorrichtung hindurchgeführt wird.
Die Energiezufuhr erfolgt über ein Koaxialkabel aus einer Hochfrequenzstromquelle 24, welche Frequenzen
von 1 MHz bis 500 MHz zu erzeugen vermag. Um während des Betriebes Erhitzungs-Randeffekte zu
vermeiden, sind die äußeren Enden des Resonanzhohlraumes 10 mit Resonanz-Energiefallen 26 versehen,
welche mittels einstellbaren Kondensatoren 28 ab- x stimmbar sind. Die Resonanz-Energiefallen 26 stellen
niedrige Abschlußimpedanzen dar, so daß die aus dem Resonanzhohlraum 10 entweichende Hochfrequenzenergie
in die Heizzone reflektiert wird.
Koaxial innerhalb der inneren Induktionsröhrenan-Ordnung 18 des Resonanzhohlraumes 10 erstreckt sich
über deren gesamte Länge eine Quarzröhre 30, die an ihren beiden Enden mit Verschlüssen 32 versehen ist.
Die Verschlüsse 32 sind mit Gaseinlaß- bzw. Gasauslaßansclilüssen 34 versehen und ermöglichen außerdem
einen axialen Durchtritt des zu graphitisierenden Kohlenstoffadens 22 durch die Quarzröhre 30, wobei
zur Abdichtung gegenüber der Umgebungsatmosphäre ein Strömungsmittel, beispielsweise ein neutrales Gas,
ein Edelgas oder aber Quecksilber an den Verschlüssen 32 abdichtend zurückgehalten wird. Während des
Betriebes wird die Quarzröhre 30 mit einem neutralen Gas oder Edelgas, vorzugsweise mit Stickstoff, gefüllt,
um eine Oxydation zu verhindern. In der Zeichnung bewögt sich der graphitisierende Kohlenstoffaden 22
zwar abwärts, diese Bewegungsrichtung ist jedoch nicht wesentlich, denn auch bei einer Aufwärtsbewegung
werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.
Bei Versuchen mit einer Vorrichtung der in der Zeichnung gezeigten Art wurde ein elektrisches
Hochfrequenzfeld solcher Stärke erzeugt, daß in der kurzen, aber intensiv wirksamen Erhitzungszone im
Hochspannungsbereich zwischen den Platten des Kondensators 20 der Kohlenstoffaden 22 auf die
Graphitisierungstemperatur erhitzt wurde. Bei einem Versuch wurde die zugeführte Leistung auf 100 Watt
begrenzt und hierbei wurde ein hundertendiges Kohlefadengarn auf 2700° C erhitzt
Während der Wärmebehandlung kann zur Erzeugung verbesserter, physikalischer Eigenschaften eine gleichzeitige
Streckung des Kohlenstoffadens 22 mit solchen Kräften vorgenommen werden kann, daß sich eine
Längung von bis zu 100%, bezogen auf die ursprüngliche Länge, ergibt
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Graphitfäden hoher Festigkeit und großer Elastizitätsmodulwerte
durch Erhitzen von Kohlenstoffäden, die durch vollständiges oder nahezu vollständiges
Carbonisieren von fadenförmigem organischem Material erhalten worden sind, mittels elektrischen
Stroms auf eine Graphitisierungstemperatur von mindestens 2500°C, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein carbonisierter Faden kontinuierlich durch eine elektrisch leitende Umhüllung
bewegt wird, daß ein hochfrequenter Strom in einem an diese Umhüllung angeschlossenen Oszillator
erzeugt wird und daß mittels dieses Stroms ein axiales elektrisches Feld in der Umhüllung erzeugt
wird, welcnes solche Intensität besitzt, daß der carbonisierte Faden durch Induktion augenblicklich
auf die Graphitisierungstemperatur von bis zu 35000C erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein fadenförmiges Ausgangsmaterial aus einem carbonisierten organischen Polymer
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial carbonisierte
Cellulosefasern verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial
in einem die Umhüllung bildenden Viertelwellenlänge-Resonanzhohlraum erhitzt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer
Einrichtung zum Erhitzen des kontinuierlich zu graphitisierenden Kohlenstoffadens, dadurch gekennzeichnet,
daß als Erhitzungseinrichtung ein Viertelwellenlänge-Resonanzhohlraum (12, 18) mit
einem Kondensator (20) mit senkrecht zur Achse des Fadens ausgerichteten Kondensatorplatten (21)
vorgesehen ist, der an eine Hochfrequenzstromquelle (24) angeschlossen ist.
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