【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及碳纤维并且更具体地涉及具有改善的强度和模量的碳纤维以及用于制造所述碳纤维的方法和设备。
技术介绍
1、碳纤维因其希望的特性而被用于多种多样的结构应用和工业中。例如，碳纤维可以形成结构部件，所述结构部件组合了高强度和高硬度，同时具有比等效特性的金属部件显著更轻的重量。碳纤维可以通过在多步骤过程中转化前体纤维(诸如纺制聚丙烯腈(pan)纤维)来制造，在所述多步骤过程中将前体纤维加热、氧化和碳化以产生90％或更多的碳的纤维。所得碳纤维可以被模制成用于结构应用的高强度复合材料，以其纯的形式用于电气和摩擦应用，或者可以被进一步加工用于吸附剂、过滤器或其他应用。特别地，已经开发了复合材料，其中碳纤维在树脂、陶瓷或金属基体中用作增强材料。
2、汽车、航空航天、结构和其他应用中的当前趋势继续推动具有甚至更高拉伸强度和模量的材料。基于聚丙烯腈的碳纤维已成为满足了这一基本需求的复合材料(热固性材料和热塑性材料两者)中的主要增强材料。由于重量减轻和其他效率，它们使当代的地面和空中运输和结构能够比其前代具有更高燃料效率。
3、然而，仍然需要甚至更强且更硬的材料来实现进一步的效率改善。更高的强度和模量允许所得复合材料可以在比当前最先进技术甚至更轻的重量下达到相同的强度，从而实现更高燃料效率的飞机或汽车。能够制造更强的纤维，优选地不改变材料的其他特性(例如，成本、密度)，将允许这些结构的设计的帕累托改善。
4、不幸的是，许多增加强度和/或模量的方法都要对纤维作出显著妥协。例如，在本领域中众所周知，在聚
5、在本领域中还众所周知的是，控制其他重要参数、特别是当其由聚丙烯腈(pan)首先通过较慢的氧化过程并且然后通过多步骤碳化过程转化时纤维的张力和拉伸将导致最终纤维的最终拉伸模量和强度的显著改善。特别重要的是在氧化中的拉伸，这是由将纤维输送到氧化烘箱中的辊与将纤维输送到烘箱外的辊之间的速度差所赋予的。先前在现有技术中已经认识到，碳纤维的模量可以通过在纺丝后步骤、氧化步骤、碳化步骤或其组合中拉伸纤维来改善。
6、美国专利号4,609,540描述了一种确定在氧化性气氛中待施加到前体纤维的最佳拉伸的方法。根据’540专利，最佳拉伸量对应于可由伸长率％与张力的曲线图确定的拐点，并且该最佳伸长率也大致对应于纤维内最大程度的结晶取向。除了这个拐点，’540专利传授了来自进一步拉伸的任何收益(gain)都是最小的并且可能导致“毛丝”的发展和可能的断裂。
7、美国专利号8,591,859描述了一种在氧化性气氛中拉伸前体纤维的方法，其中在通过氧化烘箱的多个道次中张力负荷均匀分布。换句话说，不是仅在通过烘箱的最后一个道次时拉伸纤维，而是在通过烘箱的每个道次时拉伸纤维。该参考文献传授了在转化过程中使纤维经受不同的拉伸量，目的是在氧化中非常高的拉伸，将允许进一步改善拉伸强度。
8、张力原理有进一步优化的空间，这可以允许在不显著损坏纤维的情况下甚至进一步改善拉伸强度。美国专利号8,591,859提出了如果允许将纤维在氧化中拉伸更多，将获得更高的强度和模量，但是这将通过减少碳纤维总质量/单位长度而导致生产能力显著损失。增加强度而不影响产率的方法将是希望的。
9、因此，需要既具有高拉伸强度的碳纤维，并且需要可用于以高度可重复性制备此类碳纤维的方法和设备。
技术实现思路
1、本专利技术提供了具有改善的强度和模量的碳纤维以及可用于制备所述碳纤维的方法和设备。在一个实施方案中，所述方法包括推进前体纤维通过氧化烘箱，其中纤维在氧化性气氛中经受受控拉伸，其中在通过氧化烘箱的多个道次中张力负荷均匀分布。因此，可以通过选择允在多个道次中分布张力负荷的拉伸条件来增加纤维的总累积拉伸。在多个道次中分配张力负荷允许将纤维拉伸到比先前预期的更大的程度。在氧化过程中纤维的这种受控拉伸可以有助于提供例如取向的改善、氧化的均匀性、以及缺陷诱导微晶生长的减少，这进而可以提供所得碳纤维的弹性模量和拉伸强度的改善。
2、在另一方面，本专利技术涉及一种氧化烘箱，所述氧化烘箱能够使前体纤维在氧化性气氛中经受多个受控拉伸道次。在一个实施方案中，所述氧化烘箱包括多个驱动辊和多个惰辊，其中驱动辊和惰辊配合以限定纤维通过氧化烘箱的道次。在一个实施方案中，驱动辊可以彼此独立地被驱动，使得可以独立地控制至少两个或更多个通过氧化烘箱的道次中的速度以及可替代地张力。在一些实施方案中，惰辊包括张力测量装置，诸如测压元件，所述张力测量装置允许在纤维正被推进通过氧化烘箱时连续监测纤维张力。
3、在氧化步骤之后，将纤维转化成碳纤维的过程的剩余部分可以利用常规方法进行。可以通过将氧化纤维推进通过低温和高温炉来转化纤维。在一个实施方案中，在氧化过程中纤维的受控拉伸允许纤维在它们被推进通过低温炉时进一步拉伸例如在5％与40％之间的量。
4、根据本专利技术制备的碳纤维可以具有接近和超过1,000ksi的拉伸强度。在一个实施方案中，本专利技术提供了一种拉伸强度为至少950ksi的碳纤维。
5、因此，本专利技术提供了具有改善的拉伸强度的碳纤维以及用于制造此类碳纤维的方法和设备。
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1.一种制造碳纤维的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个中的拉伸在0与0.1％之间，包括端值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个中的拉伸是0％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中在所述第一多个道次中的至少一个中的拉伸是负的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个具有相同的拉伸％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述第二多个道次中，每个连续道次的拉伸％大于前一个道次的拉伸％。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述纤维离开所述氧化烘箱作为道次的一部分。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述纤维包含选自以下的一种或多种共聚单体：丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基烯丙基磺酸钠、和衣康酸。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述前体纤维具有约0.6至1.53dpf之间的旦尼尔。
10.根据权利要求9
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述前体纤维具有约1.2至1.4dpf之间的旦尼尔。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中将所述纤维引入多个氧化烘箱中，并且其中每个连续烘箱包括氧化性气氛，所述氧化性气氛的温度至少与前一个氧化烘箱一样高。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次包括至少两个道次。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次包括至少四个道次。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中所述第二多个道次包括至少四个道次。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二多个道次包括至少六个道次。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，所述方法进一步包括使氧化碳纤维通过温度在约350℃与800℃之间的低温炉；以及
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述碳化炉的温度在约1150℃与2000℃之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述碳化炉的温度在约1300℃与1500℃之间。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法，其中所述低温炉的温度在约300℃与900℃之间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述低温炉的温度在约400℃与800℃之间。
22.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，所述方法进一步包括对所述前体纤维进行表面处理和上浆的步骤。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的方法，其中所述氧化烘箱的温度在约150℃至600℃之间。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述氧化烘箱的温度在约175℃至300℃之间。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的方法，其中在离开所述氧化烘箱时，所述纤维的平均直径比所述纤维进入所述氧化烘箱之前的原始直径小0与50％之间。
26.根据权利要求1-25中任一项所述的方法，其中所述纤维包含具有约1,000根与50,000根之间的单独长丝的纤维束。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的方法，其中与使用具有相同总拉伸的惰辊方案制备的纤维相比，所述纤维具有改善的拉伸强度和/或弹性模量。
28.一种根据权利要求1-27中任一项所述的方法制备的碳纤维。
29.根据权利要求28所述的碳纤维，其中所述碳纤维的拉伸强度大于约4500MPa。
30.根据权利要求28所述的碳纤维，其中所述碳纤维的拉伸强度大于约5500MPa。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种制造碳纤维的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个中的拉伸在0与0.1％之间，包括端值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个中的拉伸是0％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中在所述第一多个道次中的至少一个中的拉伸是负的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次中的每一个具有相同的拉伸％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述第二多个道次中，每个连续道次的拉伸％大于前一个道次的拉伸％。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述纤维离开所述氧化烘箱作为道次的一部分。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述纤维包含选自以下的一种或多种共聚单体：丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基烯丙基磺酸钠、和衣康酸。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述前体纤维具有约0.6至1.53dpf之间的旦尼尔。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述前体纤维具有约0.6至0.8dpf之间的旦尼尔。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述前体纤维具有约1.2至1.4dpf之间的旦尼尔。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中将所述纤维引入多个氧化烘箱中，并且其中每个连续烘箱包括氧化性气氛，所述氧化性气氛的温度至少与前一个氧化烘箱一样高。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次包括至少两个道次。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述第一多个道次包括至少四个道次。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中所述第二多个道次包括至少四个道次。
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