KR20170093792A

KR20170093792A - 고강도 및 고탄성 탄소 섬유

Info

Publication number: KR20170093792A
Application number: KR1020177012339A
Authority: KR
Inventors: 사티쉬 쿠마; 채한기; 브레들리 뉴콤; 프라프하카 걸군제; 야오동 리우; 키셔 굽타; 만제스와르 카마쓰
Original assignee: 조지아 테크 리서치 코오포레이션; 사티쉬 쿠마; 만제스와르 카마쓰; 브레들리 뉴콤; 야오동 리우; 키셔 굽타; 채한기; 프라프하카 걸군제
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-08-16
Also published as: US11773514B2; EP3204542A4; KR20170059006A; EP3204542A1; EP3204330A4; WO2016060929A2; US20200378035A1; US20240026575A1; EP3204330A2; WO2016057696A1; JP2017531104A; JP2017536486A; WO2016060929A3; US20170275786A1

Abstract

탄소 섬유는 5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 섬유 인장 강도를 갖는다. 탄소 섬유는 350 GPa∼375 GPa 범위의 섬유 인장 탄성률을 갖는다. 탄소 섬유는 또한 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 유효 직경을 갖는다. 탄소 섬유의 제조 방법(100)에서, PAN(폴리(아크릴로니트릴-코 메타크릴산))을 용매에 용해시켜 PAN 용액을 형성한다(110). PAN 용액을 방사를 통해 압출하여 하나 이상의 전구체 섬유를 생성한다(112). 전구체 섬유를 냉각 겔화 매질에 통과시켜 전구체 섬유를 겔화한다. 전구체 섬유를 소정의 연신비로 인발한다(114). 전구체 섬유를 연속으로 안정화하여 안정화된 섬유를 형성한다(116). 안정화된 섬유를 연속으로 탄화하여 탄소 섬유를 생성한다(118). 탄소 섬유를 스풀 상에 권취한다.

Description

고강도 및 고탄성 탄소 섬유{HIGH STRENGTH AND HIGH MODULUS CARBON FIBERS}

관련 출원(들)의 상호 참조

본 출원은 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/061,327호(2014년 10월 8일 출원)을 우선권으로 주장하며, 이의 전문은 그에 따라 본원에 참고 인용된다.

정부 권리의 진술

본 발명은 미 육군 연구소에 의해 서명된 협약 번호 W911NF-10-1-0098 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 본 발명은 또한 미 공군 과학 연구소에 의해 서명된 협약 번호 FA9550-14-1-0194 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 미 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.

본 발명의 분야

본 발명은 탄소 섬유 기술, 더욱 구체적으로는 고 인장 강도 및 고 인장 탄성률을 둘다 갖는 탄소 섬유에 관한 것이다.

폴리아크릴로니트릴(PAN) 중합체는 1950년에 듀폰 컴퍼니(DuPont Company)에 의해 상업화되었고 현재 고강도 탄소 섬유를 처리할 수 있는 유일한 전구 재료이다. 이러한 PAN 기반 탄소 섬유는 항공 우주 산업(예, 보잉 787), 발전용(풍차 날개)에 대한 중요한 구조적 분야에 사용되고 있으며 자동차에 점점 더 많이 사용되고 있다. 탄소 필라멘트가 19세기 말 전구에서 처음 사용되었지만, 현대의 탄소 섬유에 대한 연구는 1959년 일본에서 시작되어 1964년 영국에서 핵심 가공 혁신이 일어나서 고강도 섬유를 생성하게 되었다. 이러한 개발 후, 2.5 GPa의 인장 강도를 갖는 PAN 기반 상업용 T300 탄소 섬유가 1971년 일본의 토레이 컴퍼니(Toray Company)에 의해 소개되었다. 재료 및 공정 최적화를 통해, 1980년까지, T300 탄소 섬유의 인장 강도는 3.5 GPa로 향상되었다. 현재, 항공 우주 산업에서 광범위하게 사용되는 PAN 기반 탄소 섬유, IM7은, 5.6 GPa의 인장 강도 및 276 GPa의 인장 탄성률을 갖는다. 인장 강도가 6.6 GPa이고 인장 탄성률이 324 GPa인 PAN 기반 탄소 섬유(T1100G)가 최근 발표되었다. 50년 이상의 개발 후에도, 고강도 PAN 기반 탄소 섬유의 인장 강도는 여전히 탄소-탄소 결합의 이론적 강도의 10% 미만이고, 이론적 탄성률의 약 30%였다. 한편, 연속 핏치(pitch) 기반 탄소 섬유는 965 GPa(이론적 탄성률의 > 90%)의 높은 탄성률로 제작될 수 있었다. 하지만, 이러한 높은 탄성률의 핏치 기반 탄소 섬유는 비교적 낮은 인장 강도(3.1 GPa)를 가져서, 거대한 흑연 그레인 경계 및 비교적 낮은 평면내(inter-planar) 전단 탄성률을 초래한다. 고온 탄화에 의한 600 GPa(흑연의 이론값의 57%)에 가까운 인장 탄성률을 갖는 PAN 기반 탄소 섬유를 처리하는 것이 가능하지만, 인장 강도의 희생 하에 이러한 높은 인장 탄성률이 달성된다. 분명히, 탄소 섬유의 탄성률도 증가시키면서 탄소 섬유의 강도 또한 증가시킬 여지와 필요성이 있다.

인조 중합체 섬유는 용융 또는 용액 방사에 의해 처리된다. PAN은 용융 방사될 수 있지만, 현재 모든 상업용 PAN 섬유 생산은 용액 방사를 기반으로 한다. 겔 방사는 고강도 및 고탄성 중합체 섬유를 제조하는 데 사용되고 동일한 분자량의 기존 용액 방사 섬유 및 용융물에서보다 섬유의 교락이 더 적을 수 있다. 겔 방사를 통해, 고분자량 중합체 용액은 기존의 용액 방사에 의해 실현될 수 있는 것보다 높은 분자 정렬로 방사되어 탄화된 섬유의 더 높은 탄성률을 유도할 수 있다. 하지만, 겔 방사 PAN 섬유의 탄화의 기존 방법은 뱃치 공정으로 수행되어 왔으며, 연속 공정에서의 겔 방사 섬유 탄화는 보고된 바가 없다.

고 인장 강도 및 고 인장 탄성률을 둘다 갖는 탄소 섬유가 필요한 실정이다.

따라서, 겔 방사 PAN 섬유의 연속 탄화 방법 또한 필요하다.

종래 기술의 단점은, 일 측면에서, 5.5 GPa∼5.83 GPa 범위에서 섬유 인장 강도를 갖는 탄소 섬유인 본 발명에 의해 극복된다. 탄소 섬유는 350 GPa∼375 GPa 범위의 섬유 인장 탄성률을 갖는다. 탄소 섬유는 또한 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 유효 직경을 갖는다.

또다른 측면에서, 본 발명은 복수의 탄소 섬유를 포함하는 토우(tow)이다. 탄소 섬유는 5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 평균 섬유 인장 강도를 갖는다. 탄소 섬유는 350 GPa∼375 GPa 범위의 평균 섬유 인장 탄성률을 갖는다. 탄소 섬유는 또한 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 평균 유효 직경을 갖는다.

또다른 측면에서, 본 발명은, PAN(폴리(아크릴로니트릴-코 메타크릴산))을 용매에 용해시켜 PAN 용액을 형성하는 탄소 섬유의 제조 방법이다. PAN 용액을, 방사구를 통해 압출시켜, 하나 이상의 전구체 섬유를 생성한다. 전구체 섬유를, 냉각 겔화 매질을 통과시켜, 전구체 섬유를 겔화시킨다. 전구체 섬유를 소정의 연신비로 인발한다. 전구체 섬유를 연속으로 안정화하여 안정화된 섬유를 형성한다. 안정화된 섬유를 연속으로 탄화하여 탄소 섬유를 생성한다. 탄소 섬유를 스풀에 권취한다.

본 발명의 상기 측면 및 기타 측면은 하기 도면과 함께 취해지는 바람직한 구체예의 하기 설명으로부터 자명할 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 개시내용의 신규 개념의 취지 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 수많은 변화 및 변형이 실시될 수 있다.

도 1은 탄소 섬유의 일 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는 PAN 겔 방사 기기의 개략도이다.
도 3은 섬유 인발 라인의 개략도이다.
도 4는 연속 안정화 및 탄화 라인의 개략도이다.
도 5는 여러 가지 상이한 탄소 섬유 유형의 산화성 열 열화 온도를 도시하는 그래프이다.
도 6은 탄화된 섬유 토우의 스풀 옆에 위치한 전구체 섬유 토우의 스풀의 사진이다.

본 발명의 바람직한 구체예는 이하 상세하게 설명된다. 도면에 따르면, 동일 숫자는 도면 전반에 걸쳐 동일한 부품을 가리킨다. 하기 개시내용에서 구체적으로 달리 제시하지 않는 한, 도면은 반드시 일정 비율로 제시되는 것은 아니다. 본원의 설명에서 그리고 청구범위 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 하기 용어는 달리 명확하게 문맥에 제시되지 않은 한 본원에 명시적으로 연관된 의미를 취하고: "a", "an" 및 "the"의 의미는 복수 형태를 포함하고, "in"의 의미는 "in" 및 "on"을 포함한다.

본 발명의 하나의 대표적 구체예는 5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 섬유 인장 강도, 350 GPa∼375 GPa 범위의 섬유 인장 탄성률, 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 유효 직경, 및 815℃ 이상의 산화성 열 열화 온도를 갖는 겔 방사 폴리아크릴로니트릴(PAN)로부터 유도된 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 섬유는 단지 100개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 토우로 배열될 수 있다. 섬유 토우는 직물로 직조될 수 있거나 또는 다양한 분야(예, 항공 우주 부품 및 구조적 요소)에서 부품에 강도를 부여하기 위해 중합체 매트릭스에 보유될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 탄소 섬유의 제조 방법(100)의 일 구체예는 PAN을 용매 내로 분쇄 및 용해하는 단계(110); 용액을 방사하여 전구체 섬유를 형성한 후 냉각 메탄올에서 전구체 섬유를 겔화하는 단계(112); 전구체 섬유를 소정의 연신비로 인발하는 단계(114); 전구체 섬유를 안정화 오븐에서 연속으로 안정화하여 안정화된 섬유를 형성하는 단계(116); 및 안정화된 섬유를 연속으로 탄화하여 탄화된 섬유를 형성하는 단계(118)를 포함한다.

실험적 일 구체예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 사용된 PAN 중합체는 폴리(아크릴로니트릴-코-메타크릴산)(PAN-코-MAA) 공중합체이며, 상기 공중합체는 513,000 g/mol의 점도 평균 분자량을 가진 4.7 중량%의 MAA이다(Japan Exlan Company에서 구입, 일본 오사카 소재). 상기 중합체를, 90℃, 10.5 g/dl의 농도에서 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 중에 용해시켰다. 실험적 구체예에서, 제조된/탈기화된 PAN 용액을, 75℃, 방사기(210)에서 예열된 용액 탱크(212)로 옮겼다. 상기 용액을, 2시간 동안 75℃에서 탱크(212) 내에 저장한 후 방사하고, 질소 가스로서 200 psi로 가압하였다. 용액 탱크, 계량 펌프 블록, 및 방사팩 자켓의 온도 프로파일은 각각 75℃, 75℃ 및 85℃였다.

100-개구 방사구(개구 직경 200 μm)가 구비된 방사팩(216)을 통해 용액을 펌핑하는 펌프(214)를 사용하여 제조된 용액을 방사하였다. 방사팩은 필터 스크린 및 방사구를 포함하였다. 용액 필터 스크린은 20 μm 스테인레스 강 메쉬 필터를 사용하였다. 방사구는 200 μm의 개구 직경 및 6의 L/D를 갖는 100개의 개구를 포함하였다. 계량 펌프는 3.2 cc/rev의 용량을 가졌다. 방사의 초기 단계에서, 계량 펌프는 50 rpm에서 설정되었다(유량은 1.6 cc/분/개구). 안정한 용액 분사가 얻어졌을 경우, 계량 펌프는 16.8 rpm으로 설정되었다(유량은 0.5 cc/분/개구). 선형 분사 속도는 16 m/분이었다.

섬유(218)를, 방사구 표면과 겔화 매질 사이에 있는 약 2 cm의 에어 갭을 사용하여 -50℃에서 유지되는 메탄올 배쓰를 포함하는 겔화 매질(220) 내로 방사하였다(예, 일 실험예에서, 19 mm의 에어 갭을 사용하였음). 겔화 매질(220)은 실질적으로 -50℃에서 100% 메탄올이었다. 겔화 매질은 27 L/분의 유량에서 순환되었다.

방사 그대로의(as-spun) 연신비는 3이고 생성된 섬유(224)의 방사후(post-spin) 연신비는 8.2였다(총 연신비는 24.6이었음). 그리고나서 상기 섬유(224)를 권취기(226) 상에 롤링하였다. 전구체 섬유(224)는 48 m/분으로 취해졌다. 따라서, 방사 연신비는 3이었다.

도 3에 도시된 바와 같이, 180℃까지 높은 인발 온도에서 다단계 인발기(300)에 의해 방사후 인발을 실시하였다. 초기에, 저장된 전구체 섬유를 인발 라인의 해사 스탠드(unwinding stand) 상에 탑재하였다. 해사 동안, 섬유 스풀의 1/3을 냉 메탄올(-30℃)(308) 중에 침지하고 해사 속도는 2 m/분로 설정되었다. 해사된 섬유 토우를, 30 gf에서 해사 장력을 제어하기 위해 댄싱 롤러(310) 및 가이드 롤러(311)에 통과시켰다. 가이드 롤러(311)에서, 냉 메탄올(311)의 연속 스트림을 섬유 토우 상에 점적하여 잔류 용매(DMF)를 세척하였다.

그리고나서 실온에서 2 m/분으로 구동하는 롤러를 갖는 고뎃(godet)(314)에서 섬유 토우를 3회 랩핑하였다. (해사기와 고뎃(314) 사이에 인발은 없었음). 이후, 섬유 토우를 고뎃(315)으로 옮겨 4회 랩핑하였다. 고뎃(315) 롤러는 실온에서 2.2 m/분으로 구동하였다(고뎃(314)과 고뎃(315) 사이의 연신비가 1.1임). 이후, 섬유 토우를 방사 마감 도포 배쓰(316)에 통과시켰다.

그리고나서 110℃에서 5.0 m/분으로 구동하는 롤러를 갖는 고뎃(317)에서 섬유 토우를 15회 랩핑하였다(고뎃(315)과 고뎃(317) 사이의 연신비는 2.27임). 이후, 180℃에서 16.2 m/분으로 구동하는 롤러를 갖는 고뎃(318)에서 섬유 토우를 4회 랩핑하였다(고뎃(317)과 고뎃(318) 사이의 연신비는 3.24임). 이후, 제2의 방사 마감을 위해 섬유 토우를 방사 마감 도포 배쓰(320)에 통과시켰다. 그리고나서 16.3 m/분으로 구동하는 드라이어 롤러(322)에서 섬유 토우를 20회 랩핑하였다(고뎃(318)과 드라이어 롤러(322) 사이의 연신비는 1.01임). 드라이어 롤러(322)는 대기 온도가 110℃에서 제어되는 등온 챔버에 존재한다. 건조된 섬유 토우를 스풀(324) 상에 권취하고 권취 인장은 35 gf에서 조절되었다. 탄화된 섬유의 스풀 옆에 있는 전구체 섬유의 스풀이 도 6에 도시되어 있다.

그리고나서 섬유 토우를 안정화시키고 탄화하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 안정화 및 탄화 유닛(400)에서, 인발된 섬유를 연속 안정화 및 탄화 라인에서 해사 스탠드(410) 상에 장착하였고 해사된 섬유 토우(412)를 제1 롤러 세트(414)(각 롤러 세트는 5개의 롤러로 구성됨)로 이송하였다. 해사 장력은 전구체 섬유 직경(11 μm)을 기준으로 10 MPa에서 조절되었다. 이후, 섬유 토우를, 4개의 상이한 장력 조절 구역을 갖는 6개의 상이한 안정화 오븐(416)에 통과시켰다. 상세한 가공 조건은 하기 표에 나열한다:

이후, 안정화된 섬유 토우를, 3개의 별도의 온도 조절 구역이 포함된 저온 탄화 퍼니스(418)에 통과시켰다. 퍼니스 전후에 롤러 세트를 사용하여 변형률을 조절하였다. 불활성 환경을 유지하기 위해 가공 튜브의 양 단부 상에 질소 가스를 퍼징하였다. 상세한 가공 조건은 다음과 같이 나열된다: 구역 1 온도 = 500℃; 구역 2 온도 = 600℃; 구역 3 온도 = 675℃; 변형률(%) = 20; 및 체류 시간(분) = 1-10.

이후, 저온 탄화된 섬유 토우를, 고온 탄화 퍼니스(420)에 통과시켰다. 고온 탄화 퍼니스는 4개의 별도의 온도 조절 구역을 갖는다. 퍼니스 전후에 롤러 세트를 사용하여 변형률을 조절하였다. 불활성 환경을 유지하기 위해 가공 튜브의 양 단부 상에 그리고 가공 튜브의 중간에 질소 가스를 퍼징하였다. 상세한 가공 조건은 다음과 같다: 구역 1 온도 = 1450℃; 구역 2 온도 = 1450℃; 구역 3 온도 = 1450℃; 변형률(%) = -2 내지 -4; 및 체류 시간(분) = 1-10. 그리고나서 탄화된 섬유 토우를, 권취기(422)에서 25 gf의 일정 권취 장력으로 3" 직경 폴리프로필렌 튜브 상에 권취하였다.

이러한 방법의 사용은 어떠한 표면 처리도 없고 어떠한 사이징도 없는 탄소 섬유를 생성한다.

실험적 일 구체예에서, 전구체 섬유의 인장 특성 및 구조적 파라미터는 하기 표에 나열된다. 상기 겔 방사 PAN 전구체의 인장 탄성률은 20.7 GPa인 것이 주목된다. 이 값은 통상 7∼14 GPa 범위에 있는 용액 방사 PAN 섬유에서 달성된 탄성률 값보다 상당히 높다. 겔 방사 섬유에서 더 높은 인장 탄성률은 용액 방사에서보다 겔 방사에서 달성된 유의적으로 더 높은 연신비의 결과이다.

이 방법을 사용하여, 탄소 섬유는 5.5∼5.8 GPa 범위의 평균 인장 강도 값 및 354∼375 GPa 범위의 인장 탄성률을 갖도록 전구체 섬유의 다중 겔 방사 작업 및 탄화로 제조되었다. 이러한 인장 강도, 탄성률 및 섬유 직경의 조합을 갖는 다른 섬유는 없다. 예를 들면, 377 GPa의 탄성률을 갖는 현재의 PAN 기반 상업용 섬유(M40JB)의 인장 강도는 단지 4.4 GPa이다. 하지만, 본 발명의 겔 방사 PAN 기반 탄소 섬유의 더 높은 인장 탄성률은 IM7 탄소 섬유와 비교하였을 때 인장 강도에서 어떠한 손실도 없다.

각종 탄소 섬유의 열화 온도는 도 5의 그래프에 도시되어 있다. 하기 표는 기존 탄소 섬유의 특성과 본 발명의 탄소 섬유의 실험적 일 구체예의 특성을 비교한다:

상기 기술된 구체예는, 출원 시점에 발명자에게 공지된 본 발명의 바람직한 구체예 및 최선의 방식을 포함하면서, 단지 예시적 실시예로서 제공된다. 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 명세서에 개시되는 특정 구체예로부터 수많은 편차가 있을 수 있음을 쉽게 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 특정하게 기술된 구체예에 한정되기 보다는 하기 청구범위에 의해 결정된다.

Claims

5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 섬유 인장 강도, 350 GPa∼375 GPa 범위의 섬유 인장 탄성률, 및 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 유효 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유.
제1항에 있어서, 815℃ 이상의 산화성 열 열화 온도를 갖는 탄소 섬유.
제1항에 있어서, 100개 이하의 탄소 섬유의 토우(tow)로 배열되는 탄소 섬유.
5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 평균 섬유 인장 강도, 350 GPa∼375 GPa 범위의 평균 섬유 인장 탄성률, 및 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 평균 유효 직경을 갖는 복수의 탄소 섬유를 포함하는 토우.
제4항에 있어서, 탄소 섬유는 815℃ 이상의 평균 산화성 열 열화 온도를 갖는 것인 토우.
제4항에 있어서, 복수의 탄소 섬유는 약 100개의 탄소 섬유를 포함하는 것인 토우.
제4항에 있어서, 복수의 탄소 섬유는 어떠한 표면 처리도 하지 않고 어떠한 사이징(sizing)도 하지 않는 것인 토우.
(a) PAN(폴리(아크릴로니트릴-코 메타크릴산))을 용매에 용해시켜 PAN 용액을 형성하는 단계;
(b) PAN 용액을, 방사구를 통해 압출하여 하나 이상의 전구체 섬유를 생성하는 단계;
(c) 전구체 섬유를 냉각 겔화 매질에 통과시켜 전구체 섬유를 겔화하는 단계;
(d) 전구체 섬유를 소정의 연신비로 인발하는 단계;
(e) 전구체 섬유를 연속으로 안정화하여 안정화된 섬유를 형성하는 단계;
(f) 안정화된 섬유를 연속으로 탄화하여 탄소 섬유를 생성하는 단계; 및
(g) 탄소 섬유를 스풀(spool) 상에 권취하는 단계
를 포함하는, 탄소 섬유의 제조 방법.
제8항의 방법에 따라 제조되는 탄소 섬유.
제8항에 있어서, 탄소 섬유는 어떠한 표면 처리도 하지 않고 어떠한 사이징도 하지 않는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 겔화 매질은 메탄올을 포함하는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 겔화 매질은 약 -50℃의 온도를 갖는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 방사구와 겔화 매질의 상부 표면 사이에 약 2 cm의 에어 갭이 있는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 안정화 단계는, 전구체 섬유를 약 180℃의 온도로 가열하는 제1 안정화 구역 및 전구체 섬유를 약 250℃의 온도로 가열하는 마지막 안정화 구역을 포함하는 복수의 안정화 구역에 전구체 섬유를 통과시키는 것을 포함하는 제조 방법.
제14항에 있어서, 복수의 안정화 구역은, 약 180℃로 섬유를 가열하는 제1 안정화 구역; 약 190℃로 전구체 섬유를 가열하는 제2 안정화 구역; 약 200℃로 전구체 섬유를 가열하는 제3 안정화 구역; 약 210℃로 섬유를 가열하는 제4 안정화 구역; 약 230℃로 전구체 섬유를 가열하는 제5 안정화 구역; 및 약 250℃로 전구체 섬유를 가열하는 제6 안정화 구역을 포함하는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 탄화 단계는 전구체 섬유를, 약 1450℃의 온도로 섬유를 가열하는 복수의 탄화 구역에 통과시키는 것을 포함하는 제조 방법.
제16항에 있어서, 복수의 탄화 구역은, 약 500℃로 전구체 섬유를 가열하는 가온 구역; 약 600℃로 전구체 섬유를 가열하는 제1 탄화 구역; 약 675℃로 전구체 섬유를 가열하는 제2 탄화 구역; 및 약 1450℃로 전구체 섬유를 가열하는 제3 탄화 구역을 포함하는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 탄소 섬유는 5.5 GPa∼5.83 GPa 범위의 섬유 인장 강도, 350 GPa∼375 GPa 범위의 섬유 인장 탄성률, 및 5.1 μm∼5.2 μm 범위의 유효 직경을 갖는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 탄소 섬유는 815℃ 이상의 산화성 열 열화 온도를 갖는 것인 제조 방법.
제8항에 있어서, 복수의 탄소 섬유를 약 100개의 탄소 섬유의 토우로 결속시키는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.