[发明专利]一种石墨纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨纤维及其制备方法，所述的石墨纤维是一种高模量，高强度的碳纤维。

技术背景

碳纤维力学性能优异，化学稳定性较高，被认为是一种十分优良的增强材料。高模量碳纤维（又称石墨纤维），是碳纤维中的一个重要品种。石墨纤维在国防建设和国民经济中有着广泛的用途。对于航天器材料来说，人们对结构材料性能的要求就集中于高模量、高强度、热膨胀系数小、耐高温和低密等方面，为此高模和高强炭（石墨）纤维就成为制造宇宙飞船、航天飞行器、卫星、军用飞机及各种高品位民用产品的军民两用复合材料不可缺少的原料之一。聚丙烯腈原丝，经过预氧化加工过程，经过低温碳化过程，经过高温碳化过程，经过石墨化过程，可以生产出表面光滑规整的高模量高强度石墨纤维。通常为了增加石墨纤维复合材料的层剪切强度，要对石墨纤维进行表面处理，通常使用阳极氧化法。该方法需要让石墨纤维经过电解槽。规模生产的电解槽中通常含有较多的浮尘和杂质，会吸附在石墨纤维表面，对石墨纤维造成污染，即使通过水洗，也无法确保石墨纤维表面的清洁，影响了石墨纤维制备成复合材料后的性能。因此，研究一种不污染石墨纤维，且能够将石墨纤维表面的憎液性转变为亲液性的方法是本领域技术人员一直渴望解决，但迄今尚未解决的技术难题。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有高模量，高强度的石墨纤维。

本发明的另一目的在于提供能够将石墨纤维表面的憎液性转变为亲液性，且不污染石墨纤维，更高的提高石墨纤维和树脂基体的亲和性的石墨纤维制备方法。

为实现上述目的是，一种石墨纤维，其特征是：由聚丙烯腈原丝经过预氧化过程成为预氧化纤维，将预氧化纤维经过低温碳化过程成为低温碳化纤维，将低温碳化纤维经过表面涂饰过程成为涂饰纤维，将涂饰纤维经过高温碳化过程成为高温碳化纤维，将高温碳化纤维经过二次涂饰过程成为二次涂饰纤维，将二次涂饰纤维经过石墨化过程成为高性能石墨纤维。

为实现上述另一目的是，一种石墨纤维的制备方法，其特征是：将聚丙烯腈原丝经过预氧化过程成为预氧化纤维，将预氧化纤维经过低温碳化过程成为低温碳化纤维，将低温碳化纤维经过表面涂饰过程成为涂饰纤维，将涂饰纤维经过高温碳化过程成为高温碳化纤维，将高温碳化纤维经过二次涂饰过程成为二次涂饰纤维，将二次涂饰纤维经过石墨化过程成为高性能石墨纤维；所述的预氧化过程是，在180～300℃，在空气中以0.7～3.5拉伸比，边拉伸边进行预氧化；所述的低温碳化过程是，在300～800℃，在惰性气体中以0.5～2拉伸比，边拉伸边进行低温碳化；所述的表面涂饰过程是，在10～110℃，在雾状气体或液体中，以0.9～1.5拉伸比，进行表面涂饰；所述的雾状气体是水、浓度为0.01%-10%的盐酸、0.01%-10%硫酸、0.01%-10%磷酸、含磷元素0.01%-10%的物质或溶液，含硅元素0.01%-10%的物质或溶液、含硼元素0.01%-10%的物质或溶液、含钙元素0.01%-10%的物质或溶液、含钾元素0.01%-10%的物质或溶液、含钠元素0.01%-10%的物质或溶液、含镁元素0.01%-10%的物质或溶液、含丙烯酸类物质0.01%-10%的物质或溶液、含乙烯基类水溶性高聚物类物质或溶液中的任意一种；所述的液体是水、浓度为0.01%-10%的盐酸、浓度为0.01%-10%的硫酸、浓度为0.01%-10%的磷酸、含磷元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含硅元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含硼元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含钙元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含钾元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含钠元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含镁元素浓度为0.01%-10%的物质的溶液、含丙烯酸类物质浓度为0.01%-10%的溶液、含乙烯基类水溶性高聚物类物质浓度为0.01%-10%的溶液中的任意一种；所述的高温碳化过程是，在800～1800℃，在惰性气体中以0.8～1.5拉伸比，边拉伸边进行高温碳化；所述的二次涂饰过程是，在10～110℃，在在雾状气体中，或在液体中，以0.8～1.2拉伸比，进行表面涂饰；所述的石墨化过程是，在1500～3000℃，在惰性气体中以0.8～1.1拉伸比，边拉伸边进行石墨化过程。

所述的含磷元素的物质是三氯氧磷或二氯磷酸酐。

所述的含硅元素的物质是硅酸、氨基硅油、硅酸钠、硅油、二甲基硅油中的任意一种。  

所述的含硼元素的物质是硼酸、四硼酸钠、硼酐中的任意一种。

所述的含钙元素的物质是氯化钙、氧化钙、碳酸钙、醋酸钙中的任意一种。