Необроблені дроти на основі ПАН необхідно попередньо окислити, карбонізувати за низької температури та карбонізувати за високої температури для утвореннявуглецеві волокна, а потім графітизують для отримання графітових волокон. Температура сягає від 200℃ до 2000-3000℃, що призводить до різних реакцій та утворення різних структур, які, у свою чергу, мають різні властивості.
1. Стадія піролізу:Попереднє окислення в низькотемпературній частині, низькотемпературна карбонізація у високотемпературній частині
Відбувається попереднє окислювальне арилування, тривалістю близько 100 хвилин, за температури 200-300 ℃. Метою є термопластичне перетворення лінійного макромолекулярного ланцюга PAN на непластичну термостійку трапецієподібну структуру. Основною реакцією для макромолекулярного ланцюга є циклізація та міжмолекулярне зшивання, що супроводжується реакцією піролізу та вивільненням багатьох малих молекул. Індекс арилування зазвичай становить 40-60%.
Низькотемпературна температура карбонізаціїЗазвичай це 300-800 ℃, переважно реакція термічного крекінгу, здебільшого з використанням високотемпературного нагрівання дроту в електропечі, на цьому етапі утворюється велика кількість вихлопних газів та смол.
Характеристики: Колір попередньо окисленого волокна стане темнішим, зазвичай чорним, але все ще зберігає морфологію волокна, внутрішня структура зазнала певного ступеня хімічних змін, утворилася низка кисневмісних функціональних груп та зшита структура, що закладає основу для подальшої карбонізації.
2. Стадія (високотемпературної) карбонізації, являє собою попереднє окислення прекурсора в інертній атмосфері при високотемпературному розкладі, видалення якого на додаток до гетероатомів вуглецю (таких як кисень, водень, азот тощо), таким чином поступово карбонізуючи, утворюючи аморфний вуглець або мікрокристалічну вуглецеву структуру. Цей процес є ключовим кроком у формуванні вуглецевого скелета. Температура зазвичай становить від 1000 до 1800 ℃, переважно реакція термічної конденсації, більшість графітових нагрівачів використовуються для нагрівання.
Характеристики: Основним компонентом карбонізованого матеріалу є вуглець, структура якого переважно аморфна або має хаотичну графітову структуру, його електропровідність та механічні властивості значно покращуються порівняно з продуктом попереднього окислення.
3. Графітизаціяявляє собою подальшу термічну обробку продуктів карбонізації за вищих температур для переходу структури аморфного вуглецю або мікрокристалічного вуглецю до більш впорядкованої кристалічної структури графіту. Під дією високої температури атоми вуглецю перегруповуються, утворюючи гексагональну структуру ґратки з високим ступенем орієнтації, що значно покращує електро- та теплопровідність, а також механічну міцність матеріалу.
Характеристики: Графітизований продукт має висококристалічну графітову структуру, що забезпечує чудову електро- та теплопровідність, а також високу питому міцність та питомий модуль пружності. Наприклад, високомодульнийвуглецеві волокнаотримують шляхом високого ступеня графітизації.
Конкретні етапи та вимоги до обладнання для попереднього окислення, карбонізації та графітизації:
Попереднє окислення: проводиться на повітрі за контрольованої температури 200-300°C. Для зменшення усадки волокна необхідно застосовувати натяг.
Карбонізація: проводиться в інертній атмосфері з поступовим підвищенням температури до 1000-2000°C.
Графітизація: проводиться за вищих температур (2000-3000°C), зазвичай у вакуумі або в інертній атмосфері.
Час публікації: 22 травня 2025 р.
