RU70259U1

RU70259U1 - Устройство для термообработки предшественника с целью получения из него углеродного волокна

Info

Publication number: RU70259U1
Application number: RU2007130814/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Алексеевич Харитонов
Original assignee: Андрей Алексеевич Харитонов
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2008-01-20

Abstract

Полезная модель относиться к устройствам для получения углеродного волокна путем термообработки предшественника, такого например как полиакрилонитрил и может быть использована в химической промышленности для производства углеродного волокна. Техническим результатом полезной модели является повышение производительности оборудования используемого для производства углеродных волокон, при одновременном повышении их прочностных показателей, достигается снижения затрат энергии, процесс производства становится более экологически чистым. Заявленный технический результат достигается за счет того что устройство для термообработки углеродного волокна, выполненное без элементов резистивного нагрева с возможностью создания необходимой среды и ее давления на каждом этапе обработки волокна, и возможностью ведения процесса с нормируемой вытяжкой на каждом этапе термообработки отличается тем, что содержит не менее одной разрядной камеры, устройство для вакуумирования камеры, выполненное с возможностью создавать в камере необходимую для обработки волокна газовую среду и требуемое давление, устройство для создания равновесной или неравновесной плазмы, устройство для обеспечения протяжки нити и ее нормируемой вытяжки.

Description

Область применения

Полезная модель относиться к устройствам для получения углеродного волокна путем термообработки предшественника, такого например как полиакрилонитрил и может быть использована в химической промышленности для производства углеродного волокна.

Уровень техники

Известны устройства для проведения термообработки углеродного волокна.

«Углеродные волокна, (У.В.) волокна, состоящие в основном из углерода. У.в. обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900°С (такие У.в. содержат 85-90% углерода), 900-1500°С (95-99%) или 1500-3000°С (более 99%). Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У.В. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.» (см. Большая советская энциклопедия).

Известен способ окисления предшественника, например полиакрилонитрила, когда предшественник наматывают на обечайку (выполненную, например: - из алюминия), затем эту жесткую паковку помешают в шахтную печь, где в течение многих часов подвергают нагреву от 120 до 280-290°С. (См. Варшавский В.Я. Углеродные волокна. 2005 г.) При данном способе обработки, отсутствует возможность управления вытяжкой волокна, что отрицательно сказывается на прочности получаемых из этой нити углеродных волокон.

Известен способ окисления предшественника, например: - полиакрилонитрила, когда предшественник протягивают через печь имеющую различные температурные зоны, для каждой температурной зоны выдерживается необходимое натяжение волокна, что позволяет обеспечить его требуемую деформацию. (См. Варшавский Углеродные волокна. 2005 г.) Волокно на выходе из такой печи имеет приемлемое качество. Однако такая печь имеет значительные размеры, ее конструкция очень металлоемка, она потребляет значительное количество энергии. Кроме того, в работе такой печи есть недостатки. Волокно в процессе окисления в силу проходящих в нем химических реакций начинает, выделять тепло и это тепло с него необходимо отводить, для того чтобы волокно не расплавилось. Это обеспечивается за счет прокачки через печь значительных объемов нагретого воздуха, что также не способствует ее экономичности. Процесс и в такой печи

остается очень непроизводительным.

Известен также метод для производства высокопрочного углеродного волокна (патент JP 2007070742, D01F 9/22; D01F 9/32; D01F 9/14 от 22.03.2007). Метод основан на преобразовании предшественника - полиакрилонитрильного волокна и получении высокопрочного углеродного волокна через последовательное прохождение им от этапа термообработки волокна предшественника при температуре в 200-300°С на открытом воздухе, затем с предварительной карбонизацией - термообработанного предшественника при максимальной температуре в 600-800°С в инертной среде, и этапом карбонизации - термообработки получаемого волокна предшественника при максимальной температуре в 1000-3000°С в инертной среде; причем перед предварительным коксованием обработка проводится при обычном давлении.

Аналогично предыдущему, волокно на выходе из такой печи имеет приемлемое качество. Однако такая печь имеет значительные размеры (поскольку необходимо формировать несколько температурных зон для протяжки волокна), ее конструкция очень металлоемка, она потребляет значительное количество энергии. Кроме того, в работе такой печи есть недостатки. Волокно в процессе окисления в силу проходящих в нем химических реакций начинает, выделять тепло и это тепло с него необходимо отводить, для того чтобы волокно не расплавилось. Это обеспечивается за счет прокачки через печь значительных объемов нагретого воздуха, что также не способствует ее экономичности. Процесс в такой печи также остается очень непроизводительным.

Известен способ окисления предшественника, например: - полиакрилонитрила, когда предшественник протягивают через камеру, в которой нагрев нити до необходимой температуры производиться за счет ее контакта с нагретыми роликами, по которым как по направляющим обеспечивается движение нити в камере. Этот способ более экономичен с точки зрения расхода энергии на проведение окисления волокна, но остается очень и очень материалоемким, поскольку для того чтобы обеспечить окисление нити до требуемых параметров требуется обеспечить нахождение в печи не менее 1,5-2 км нити. Отсюда вытекают и размеры печи.

Производительность и такой печи остается очень и очень невысокой.

В патенте А.С. СССР №1816822 от 1993 года МПК D01F 9/22 описан способ получения высокопрочного, высокомодульного волокна, по которому для получения волокна с заявленными в патенте характеристиками - прочность 390-480 кг/мм², модуль упругости 22000-50000 кг/мм², окисленное обычным способом волокно из полиакрилонитрила ПАН термообрабатывают в три стадии. На первой при температуре 400-450°С под натяжением обеспечивающим вытяжку волокна на 1-10% до уменьшения массы окисленного волокна на 13-16%, На второй стадии при 600-630°С под натяжением обеспечивающим усадку волокна на 1-3,5% от длинны волокна после первой стадии термообработки, до уменьшения массы волокна после первой стадии на 14-15,5%. На третьей стадии 0,25-2,5 минуты при 1100-2500°С под натяжением, обеспечивающим

усадку волокна на 1-5% от длинны волокна после второй стадии.

Условно можно считать, что в данном изобретении при температурах обработки до 630°С происходит предкарбонизация волокна, и при температурах обработки 1100-2500°С карбонизация и графитация.

Однако этот способ принципиально не отличается от используемых сегодня на практике и имеет те же недостатки: - большая металлоемкость оборудования, огромные затраты энергии, низкая скорость проведения процессов и соответственно низкая производительность.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Техническим результатом полезной модели является повышение производительности оборудования используемого для производства углеродных волокон, при одновременном повышении их прочностных показателей, достигается снижения затрат энергии, процесс производства становится более экологически чистым.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана блок-схема устройства для термообработки углеродного волокна с устройством для создания неравновесной плазмы.

На Фиг.2 показана блок-схема устройства для термообработки углеродного волокна с устройством для создания равновесной плазмы.

Сущность устройства

Заявленный технический результат достигается за счет того что устройство для термообработки углеродного волокна (см. Фиг.1), выполненное без элементов резистивного нагрева с возможностью создания необходимой среды и ее давления на каждом этапе обработки волокна, и возможностью ведения процесса с нормируемой вытяжкой на каждом этапе термообработки отличается тем, что содержит не менее одной разрядной камеры (1), устройство (2) для вакуумирования камеры, выполненное с возможностью создавать в камере необходимую для обработки волокна газовую среду и требуемое давление, устройство (3) для создания равновесной или неравновесной плазмы, устройство для обеспечения протяжки (4) нити и ее нормируемой вытяжки.

Устройство для создания неравновесной плазмы (3) содержит СВЧ генератор (5), систему подвода (6) к разрядной камере СВЧ энергии, и систему защиты (7) персонала от его возможных утечек.

Устройство для создания равновесной плазмы (9) (см. Фиг.2) содержит генератор (10), работающий в постоянном или импульсном режиме, систему подвода (6) к разрядной камере СВЧ энергии, систему защиты (7) персонала от ее возможных утечек.

Дополнительно устройство для создания равновесной или неравновесной плазмы содержит устройство по принудительной инициации СВЧ разряда (8).

Дополнительно устройство для термообработки углеродного волокна может содержать устройство для удержания плазмы в заданном месте объема разрядной камеры.

Устройство для удержания плазмы в заданном месте объема разрядной камеры может быть реализовано либо на основе известных устройств по удержанию плазмы, например, устройств по удержанию плазмы в магнитном поле, либо выполнено на основе устройств, в которых плазма удерживается в фиксированной зоне камеры за счет конструктивных особенностей плазматрона, например, таких как плазмотроны со сфокусированным в заданную точку камеры СВЧ излучением.

Устройство для получения углеродных волокон может быть выполнено путем объединения в одну технологическую линию несколько камер, на каждую из которых работает свой генератор СВЧ плазмы. Каждая камера должна дополнительно содержать систему, обеспечивающую протягивание через нее углеродного волокна с необходимыми параметрами его вытяжки. Кроме того, каждая камера должна быть оборудована вакуумным устройством, позволяющим создавать в камере необходимую для обработки волокна газовую среду и обеспечивать ее требуемое давление. Часть устройства - камера, предназначенная для проведения окисления предшественника, выполняется на основе любого известного устройства для создания неравновесной плазмы. Как правило, в таких устройствах неравновесная плазма с требуемой для проведения окисления температурой создается, путем подачи в камеру импульсного СВЧ излучения. Разряд преимущественно должен иметь диффузную форму, для чего необходимо снижать давление в камере до значений менее 500 торр. Рабочей средой при проведении процесса может быть обычный атмосферный воздух, воздух - обогащенный кислородом и чистый кислород. Поскольку на процесс окисления волокна в СВЧ плазме, помимо параметров самой плазмы, таких как средняя температура и давление, большое влияние оказывает и время нахождения волокна в зоне СВЧ разряда. То для получения требуемой скорости протяжки волокна, целесообразно объединить в одно целое несколько камер в каждой из которых неравновесная плазма создается своим генератором. Общее количество камер определяется исходя из условия получения требуемой скорости протяжки волокна.

Часть устройства - камера, предназначенная для проведения предкарбонизации, прошедшего окисление предшественника, выполняется также на основе любого известного устройства для создания СВЧ плазмы. Поскольку предкарбонизация может проводиться, как в неравновесной плазме, так и в равновесной, то для ее создания могут быть использованы генераторы, работающие в импульсном режиме и генераторы, работающие в постоянном режиме. При использовании генератора работающего в постоянном режиме разрядная камера проектируется, исходя из условия

фиксация разряда в заданной области внутреннего объема камеры. Либо условие фиксации разряда в заданной зоне внутреннего объема разрядной камеры, выполняется путем использования любых известных дополнительных устройств, позволяющих зафиксировать разряд в заданной зоне камеры. Например: устройств, обеспечивающих удержание плазмы в магнитном поле. Рабочей газовой средой при проведении предкарбонизации, может служить как азот, так и аргон. Поскольку часть устройства - камеры, предназначенные для проведения карбонизации и графитации, абсолютно тождественны, то опишем только одну из них.

Камера для проведения карбонизации и графитации выполняется на основе любого известного устройства для создания СВЧ плазмы, например, плазмотрона резонаторного или волноводного типа. Разрядная часть камеры проектируется исходя из условия обеспечения фиксированного положения разрядной области в заданной зоне пространства. Либо используются известные внешние устройства, позволяющие управлять разрядом. Например: устройства по удержанию плазмы в магнитном поле.

Принципиальная схема установки для проведения всех стадий термообработки от предшественника до углеродного волокна показана на Фиг.1.

Предпочтительно, чтобы установка состояла из четырех блоков. Волокно предшественника сначала поступает в первый блок, объединяющий устройства предназначенные для окисления предшественника. Он включает в себя:

- N-разрядных камер, например: коаксиального, резонаторного или волноводного типа, общее количество камер определяется из условия обеспечения требуемой скорости протяжки волокна;

- устройство для обеспечения протяжки нити и ее нормируемой вытяжки (нитенатяжитель);

- устройство для вакуумирования камеры, создания в ней рабочей газовой среды, и поддержания необходимого для проведения окисления давления (вакуумная система);

- устройство для создания неравновесной плазмы волноводного или резонаторного типа с требуемыми параметрами, включая СВЧ генератор, его источник питания, систему подвода к разрядной камере СВЧ энергии, состоящую из прямоугольных, цилиндрических или коаксиальных волноводов, и систему защиты персонала от ее возможных утечек, которая может быть выполнена путем создания вокруг камеры металлического экрана непроницаемого для СВЧ излучения. В случае использования несамостоятельного СВЧ разряда, дополнительно должно присутствовать устройство по принудительной инициации СВЧ разряда (на чертеже не показано), которое, может быть выполнено путем введения в разрядную зону металлического электрода или разряд может быть инициирован при помощи оптического излучения, например, лазерным лучом.

Затем волокно поступает на второй блок, который конструктивно объединяет устройства, предназначенные для проведения предкарбонизации, прошедшего окисление предшественника. Он включает в себя:

- N-разрядных камер, общее количество которых определяется из условия обеспечения требуемой скорости протяжки волокна;

- устройство для обеспечения протяжки нити и ее нормируемой вытяжки:

- устройство для вакуумирования камеры, создания в ней рабочей газовой среды, и поддержания необходимого для проведения предкарбонизации давления;

- устройство для создания либо неравновесной или равновесной плазмы, выполненное на основе плазмотрона коаксиального, резонаторного или волноводного типа, включая генератор, работающий либо в импульсном режиме, либо в постоянном, источник питания генератора, систему подвода к разрядной камере СВЧ энергии, систему защиты персонала от ее возможных утечек. В случае использования несамостоятельного СВЧ разряда дополнительно должно присутствовать устройство по принудительной инициации СВЧ разряда выполненное например, на основе использования инициации разряда оптическим излучением (лазерным лучом).

Третий блок конструктивно объединяет устройства, предназначенные для проведения карбонизации прошедшего окисление и предкарбонизацию предшественника. Он включает в себя:

- устройство для обеспечения протяжки нити и ее нормируемой вытяжки;

- устройство для ваккуумирования камеры, создания в ней рабочей газовой среды и поддержания необходимого для проведения карбонизации давления;

- устройство для создания равновесной плазмы, включая генератор, работающий постоянном режиме, источник питания генератора, систему подвода к разрядной камере СВЧ энергии, систему защиты персонала от ее возможных утечек. В случае использования несамостоятельного СВЧ разряда дополнительно должно присутствовать устройство по принудительной инициации СВЧ разряда.

Четвертый блок конструктивно объединяет устройства, предназначенные для проведения графитации, прошедшего все предыдущие стадии предшественника. По своему составу он тождественен третьему блоку.

Принцип работы устройства

Принцип работы устройства основан на его использовании при многоэтапной обработки волокна. Пример. Волокно предшественник термообрабатывали СВЧ излучением; на первой стадии термообработки производили окисление волокон в неравновесной низкотемпературной плазме до получения волокон с показателем плотности 1,38-1,43 г/см³, на второй стадии термообработку вели в инертной среде, при давлении от 20 до 750 торр, при котором (затем) нагревали окисленное волокно до 400-450°С, на третьей стадии термообработки волокно нагревали до температуры 600-650°С, и на четвертой стадии термообработки волокно обрабатывали при температуре

1100-4500°С. Вторую стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим вытяжку волокна на 1-9%, до уменьшения массы волокна на 12-16%. Третью стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 0,5-4% от длинны волокна после первой стадии термообработки. Четвертую стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1-7% от длинны волокна, после третьей стадии термообработки. Характеристики полученного углеродного волокна прочность на разрыв составили 510 кг/мм, модуль упругости 49000 кг/мм².

Получение углеродного волокна включает проведение всех стадий его обработки с использованием энергии электромагнитного поля высокой частоты (СВЧ энергии). При этом на этапах окисления, предкарбонизации и поверхностной модификации используются устройства позволяющие создавать неравновесную плазму с использованием импульсного СВЧ излучения. На этапах предкарбонизации, карбонизации и графитации обработку волокна с одинаковой эффективностью можно проводить в двух типах устройств. В устройствах использующих СВЧ плазму, создаваемую как непрерывным, так и импульсным СВЧ излучением.

В результате решается задача снижения затрат энергии, процессы существенным образом ускоряются (по сравнению с традиционными технологиями до 10 раз), за счет использования СВЧ плазмы процесс становится практически экологически чистым, поскольку в СВЧ плазме все сложные газы разлагаются на одноатомные газы и углерод (в том числе и цианиды). Кроме того, при использовании заявляемой полезной модели появляется возможность получения одновременно и высокопрочного и высокомодульного волокна, что не обеспечивает ни одна из современных технологий производства. В ходе проведенных экспериментов было получено углеродное волокно с пределом прочности 510 кг/мм² (5,1 ГПа) и модулем упругости на уровне 49000 кг/мм² (490 ГПа).

Окисление волокна.

Этап окисления волокна проводят с целью исключения его тепловой деформации (плавления) на дальнейших стадиях тепловой обработки, кроме того, в процессе окисления проходят важнейшие и определяющие в последующем прочность волокна химические реакции. В частности происходит активное формирование и развитие полисопряженных участков цепи, индекс ароматичности волокна растет до 40-60. Плотность волокна растет до 1,32-1,41 г/см³. Типовые температуры процесса 140-290°С.

Окисления предшественника базируется на новом принципе, отличном от известных аналогов тем, что окисление проводят в неравновесной низкотемпературной плазме. В плазме резко увеличивается количество атомарного кислорода и озона, химическая активность которых, намного выше, чем у молекулярного кислорода. Кроме того, специфическое воздействие СВЧ излучения приводит к тому что диффузия окислителей (молекулярного кислорода, атомарного

кислорода, озона) в центральные области волокна резко возрастает, что и приводит в конечном итоге к довольно быстрому окисления волокна.

Плазма пригодная для окисления предшественника может быть создана в диапазоне давлений от 10 до 760 торр (мм рт. столба) и должна иметь диффузный характер. Плазма создается СВЧ разрядом при импульсной подаче энергии на генератор СВЧ излучения, в качестве генераторов энергии могут быть использованы любые известные генераторы СВЧ энергии (магнетроны, клистроны и т.д.), работающие на разрешенных в промышленности частотах. Длинна импульса и скважность подбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимую среднюю температуру плазмы. При этом скорость протяжки нити через зону плазмы, подбирается таким образом, чтобы обеспечить ей нагрев, необходимый для протекания в нити химических реакций. Снижение давления в газе позволяет увеличить среднюю температуру плазмы, до значений существенно превышающих температуру традиционной технологии (140-300°С), что приводит к росту содержания в плазме химически активных кислорода и озона. Это приводит в конечном итоге к существенному уменьшению времени необходимого для окисления волокна.

Окисление вышеописанным способом может быть проведено, например, с помощью магнетрона. Для проведения экспериментов по окислению полиакрилонитрила использовался генератор СВЧ излучения - магнетрон с мощностью в импульсе порядка 20 КВт, длинна импульса, варьировалась в диапазоне от 1,0 мкс до 10,0 мкс, скважность подбиралась таким образом, чтобы при различных давлениях обеспечить среднюю температуру плазмы на уровне 150-500°С. При этом при различных условиях обработки время полного окисления нити до параметров: - плотность - 1,32-1,41 г/см³, степень ароматичности 40-60, содержание кислорода 16-24%, - составляло от 8 до 26 минут. При этом в ходе экспериментов не ставилась задача оптимизации процесса по времени окисления.

Результаты экспериментов показали, что при использовании СВЧ энергии при окислении волокна могут быть созданы технологические устройства, обеспечивающие скорость протяжки нити на уровне 300 и более метров в час. При этом по сравнению с существующими устройствами материалоемкость и габариты установки, а также ее энергопотребление могут быть снижены на порядок.

Дальнейшие этапы обработки - предкарбонизация, карбонизация, графитация.

Предкарбонизация и карбонизация разделены на два этапа сознательно, поскольку в интервале температур 300-650°С нить характеризуется повышенной податливостью, что выражается в увеличении ее деформации под воздействием прилагаемых напряжений и напротив при температурах выше 650°С зависимость деформации нити от прилагаемых напряжений пропадает. Кроме того при температурах 300-650°С нить теряет большую часть входящих в нее неуглеродных включений, а это связано с активным газовыделением и смолообразованием на ее

поверхности, приводящим к тому, что нить слипается и становиться мало пригодной для дальнейшей обработки. Таким образом этап обработки нити в диапазоне температур 300-650°С выделен в отдельный этап технологического процесса - это связано с особенностями проходящих в волокне под действием температуры структурных и химических изменений.

Карбонизация волокна необходима для придания ему высокой прочности на растяжение, при этом модуль упругости волокна остается невысоким.

Графитация волокна используется в том случае если необходимо получить волокно с высоким модулем упругости. После традиционного способа графитации волокно теряет свою прочность на растяжение, но приобретает довольно высокий модуль упругости (модуль Юнга).

Все выше перечисленные этапы получения углеродного волокна очень энергоемки. Процессы в силу своей специфики идут очень медленно. При проведении карбонизации и особенно графитации используются очень высокие температуры, при которых технологическое оборудование работает не более двух - трех десятков часов. И после цикла работы требуется многодневная замена нагревательных элементов, что обуславливает очень низкий коэффициент использования оборудования. В процессе термической обработки полиакрилонитрила велико выделение ядовитых газов (группа цианидов), особенно на этапе карбонизации и требуются сложнейшие системы по их улавливанию и уничтожению.

Настоящее устройство дает возможность объединить эти три процесса (предкарбонизация, карбонизация, графитация), используя для проведения предкарбонизации, карбонизации и графитации СВЧ воздействие на углеродное волокно. Согласно полезной модели возможно использование двух разных типов обработки волокна. Первый тип предполагает проведение обработки в плазме создаваемой СВЧ разрядом как самостоятельного так и не самостоятельного типа. При этом плазма может создаваться в любом известном устройстве для генерации СВЧ плазмы. Например: - резонаторном, волноводном, коаксиальном, в устройстве со сфокусированным СВЧ излучением и т.д.) Для создания разряда могут использоваться любые известные генераторы СВЧ излучения (магнетроны, клистроны, и т.д.) работающие на частотах разрешенных для использования в промышленности. СВЧ энергия может подаваться в зону разряда как непрерывно, так и импульсами. Разряд может носить как контрагированную, так и диффузионную форму. Диапазон рабочих давлений инертной по отношению к углероду среды самый широкий от давлений порядка 50 торр (мм. рт столба) до давлений превышающих атмосферное.

Отличительной особенностью обработки углеродного волокна в плазме СВЧ разряда, является то обстоятельство, что углеродное волокно является проводником. Средний диаметр одного элементарного волокна составляет 6-9 мкм. Это приводит к тому, что вокруг волокна напряженность электрического поля резко возрастает, что влечет за собой практически мгновенное

образование множества стримерных СВЧ разрядов, растущих с поверхности волокна. При непрерывной подаче СВЧ энергии стример начинает развиваться, до размера примерно в 1/2 длинны волны используемого излучения, затем из него начинает расти другой стример. При значительной подводимой СВЧ мощности, каждый отдельный стример растущий с поверхности волокна вырастает в «дерево» состоящее из 4 и более стримеров. Плазма как бы отрывается от поверхности углеродного волокна и заполняет значительный объем пространства вокруг него. Это в конечном итоге приводит к тому, что вся подводимая СВЧ мощность поглощается плазмой уже на дальних расстояниях от волокна и волокно практически не нагревается. Для того чтобы избавиться от этого негативного эффекта используют различные технические устройства позволяющие удерживать плазму в строго определенной зоне камеры (например: - устройства для удержания плазмы в магнитном поле), либо используют специальные конструкции плазматронов, в которых плазма горит только в определенной зоне (например: камеры со сфокусированным СВЧ излучением). Предкарбонизация характеризуется следующей обработкой.

Согласно полезной модели для проведения тепловой обработки волокна при температурном диапазоне до 630°С на волокне может использоваться устройство, аналогичное тому, при котором проводилось окисление волокна согласно заявленному способу. В качестве рабочей среды используют не чистый воздух, а азот или аргон с чистотой не хуже 99,998%.

Для проведения экспериментов мощность генератора в импульсе задавалась в диапазоне 10-20 КВт, длинна импульса составляла от 0,5 до 5 микросекунд. Скважность подбиралась таким образом, чтобы при заданном давлении обеспечить среднюю температуру плазмы на уровне 500-1500°С. Скорость протяжки углеродного волокна через плазму подбиралась таким образом, чтобы обеспечить нагрев волокна в плазме в температурном диапазоне 350-630°С. В ходе эксперимента были получены следующие результаты. Волокно с остаточным количеством кислорода на уровне 0,5% было получено в диапазоне температур плазмы на уровне 500-1500°С на скорости протяжки волокна от 1 до 12 метров в минуту, через зону плазмы с размером порядка 6 см.

При проведении экспериментов при давлениях ниже 500 торр, смолообразование и слипание нити не наблюдалось.

Карбонизация и графитация характеризуется следующей обработкой.

Согласно полезной модели обработка волокна в диапазоне температур плазмы 1100-4500°С проводится в устройстве где плазма создается непрерывным СВЧ излучением.

В экспериментах, использовалась конструкция плазмотрона, с коаксиальным волноводом, которая позволяла получить плазменный факел диаметром порядка 1 см и длинной до 6 см. Углеродная нить протягивалась поперек через плазменный факел со скоростью 1 метр в минуту. Для проведения эксперимента использовалось прошедшее предкарбонизацию, волокно ВМН-4, его характеристики до проведения эксперимента отражены в Таблице 1.

После обработки в СВЧ установке при следующих параметрах протяжки волокно имело характеристики, отраженные в Таблице 2.

Всего было проделано более 50 экспериментов, в разной среде (азот, смесь азота с кислородом), которые показали, что при нагреве углеродного волокна в СВЧ установке обеспечивается одновременный подъем показателей по разрывной прочности и модулю Юнга. Таких результатов не позволяет добиться не один из ныне известных способов графитации волокна. Обычно после графитации модуль Юнга резко растет, а прочность падает. Существенное уменьшение диаметра волокна выявленное в ходе опытов, объясняется тем, что при таких температурах азот начинает взаимодействовать с углеродом с образование цианидов. К сожалению, у нас не было возможности провести эксперименты в аргоне, в качестве среды для обработки углеродного волокна мы использовали азот, который, как известно, вступает во взаимодействие с углеродом при высоких температурах. И поэтому попытки увеличить температуру плазмы или время пребывания в ней углеродной нити приводили к обрыву волокна.

Способ обработки волокна в СВЧ плазме на много менее энергоемок, чем его обработка, при использовании традиционных технологий. Он позволяет получить очень большие скорости обработки волокна, свыше 500 метров в час. Для промышленного использования необходимо получение плазмы в относительно большом объеме и ее удержание в фиксированной области пространства, что, не представляет значительных затруднений. Но ввиду наличия значительного объема плазмы с высокой температурой изготовить оборудование способное выдержать, действующую на него от плазмы тепловую нагрузку довольно сложно, особенно при условии работы этого оборудования непрерывно в течение сотен часов. Поэтому нами был опробован другой способ обработки углеродного волокна, практически полностью исключающий образование плазмы.

Согласно полезной модели тепловая обработка волокна проводиться в вакуумируемой камере, через которую осуществляется непрерывная протяжка волокна.

Это позволяет использовать оборудование непрерывно в течение сотен и тысяч часов.

Непрерывная обработка волокна в диапазоне температур от 400 до 4000°С позволяет проводить обработку волокна с его максимальной сохранностью, что с одной стороны связано с тем, что волокно не набравшее необходимую прочность является довольно хрупким материалом и каждая лишняя намотка волокна на паковки приводит к его обламыванию. С другой стороны волокно в процессе непрерывной термообработки не набирает кислород из воздуха, что неизбежно в случае его последовательной тепловой обработки, когда, попадая в следующий этап термообработки кислород выгорает, разрушая структуру волокна и это существенно отражается на его прочностных показателях.

Непрерывность обработки волокна позволяет повысить производительность.

Таблица 1
Разрывная прочность ГПа (кг/мм²)		Динамический модуль Юнга ГПа (кг/мм²)			Содержание углерода %		Содержание водорода %		Содержание кислорода %
1,91 (191)		110 (11000)			99,1		0,04		0,05
Таблица 2
Расход газа (азота) л/мин	Мощность, подводимая СВЧ генератором КВт		Расчетная температура плазмы °C	Скорость протяжки м/мин		Разрывная прочность ГПа (кг/мм²)		Модуль Юнга ГПа (кг/мм²)
55	3,5		3860	1,0		4,73 (473)		390 (31000)
60	4,0		4040	1,0		4,95 (495)		410 (41000)
65	4,5		4330	1,0		5,10 (510)		490 (49000)

Claims

1. Устройство для термообработки, выполненное без элементов резистивного нагрева с возможностью создания необходимой среды и ее давления на каждом этапе обработки волокна и возможностью ведения процесса с нормируемой вытяжкой на каждом этапе термообработки, отличающееся тем, что содержит не менее одной разрядной камеры, устройство для вакуумирования камеры, выполненное с возможностью создавать в камере необходимую для обработки волокна газовую среду и требуемое давление, устройство для создания равновесной или неравновесной плазмы, устройство для обеспечения протяжки нити и ее нормируемой вытяжки.

2. Устройство для термообработки по п.1, отличающееся тем, что устройство для создания неравновесной плазмы содержит СВЧ- генератор, систему подвода к разрядной камере СВЧ-энергии и систему защиты персонала от его возможных утечек.

3. Устройство для термообработки по п.1, отличающееся тем, что устройство для создания равновесной плазмы содержит генератор, работающий в постоянном или импульсном режиме, систему подвода к разрядной камере СВЧ-энергии, систему защиты персонала от ее возможных утечек.

4. Устройство для термообработки по п.1, отличающееся тем, что устройство для создания плазмы содержит устройство по принудительной инициации СВЧ-разряда.

5. Устройство для термообработки по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что содержит устройство для удержания плазмы в заданном месте объема разрядной камеры.