Surowe przewody na bazie PAN muszą zostać wstępnie utlenione, zwęglone w niskiej temperaturze i zwęglone w wysokiej temperaturze, aby utworzyćwłókna węglowe, a następnie grafityzowane, tworząc włókna grafitowe. Temperatura sięga od 200℃ do 2000-3000℃, co powoduje różne reakcje i powstawanie różnych struktur, które z kolei mają różne właściwości.
1. Etap pirolizy:Wstępne utlenianie w części niskotemperaturowej, karbonizacja niskotemperaturowa w części wysokotemperaturowej
Proces wstępnego utleniania (arylowanie) trwa prawie 100 minut i przebiega w temperaturze 200-300°C. Celem jest przekształcenie termoplastycznego liniowego łańcucha makrocząsteczkowego PAN w nieplastyczną, odporną na ciepło strukturę trapezową. Główną reakcją łańcuchów makrocząsteczkowych jest cyklizacja i sieciowanie międzycząsteczkowe, czemu towarzyszy reakcja pirolizy i uwalnianie wielu małych cząsteczek. Wskaźnik arylowania wynosi zazwyczaj 40-60%.
Temperatura karbonizacji niskotemperaturowejTemperatura wynosi na ogół 300–800 ℃, głównie reakcja krakingu termicznego, najczęściej z wykorzystaniem ogrzewania drutu w piecu elektrycznym o wysokiej temperaturze, etap ten wytwarza dużą ilość gazów spalinowych i smoły.
Charakterystyka: Kolor wstępnie utlenionego włókna staje się ciemniejszy, zwykle czarny, ale nadal zachowuje morfologię włókna, struktura wewnętrzna ulega pewnym zmianom chemicznym, powstaje szereg grup funkcyjnych zawierających tlen i struktura usieciowana, co stanowi podstawę późniejszej karbonizacji.
2. Etap karbonizacji (wysokotemperaturowej), to wstępne utlenianie prekursora w atmosferze obojętnej w wysokiej temperaturze, które powoduje rozkład, usuwając z niego oprócz heteroatomów węgla (takich jak tlen, wodór, azot itp.), co umożliwia stopniową karbonizację, czyli tworzenie węgla amorficznego lub mikrokrystalicznego. Proces ten jest kluczowym etapem w tworzeniu szkieletu węglowego. Temperatura wynosi zazwyczaj od 1000 do 1800°C, głównie w wyniku reakcji kondensacji termicznej. Do ogrzewania wykorzystuje się głównie grzejniki grafitowe.
Charakterystyka: Głównym składnikiem zwęglonego materiału jest węgiel, jego struktura to przeważnie węgiel amorficzny lub chaotyczna struktura grafitu, jego przewodność elektryczna i właściwości mechaniczne w porównaniu do produktu przed utlenianiem znacznie wzrastają.
3. GrafityzacjaTo dalsza obróbka cieplna produktów karbonizacji w wyższych temperaturach, która ma na celu przekształcenie struktury węgla amorficznego lub mikrokrystalicznego w bardziej uporządkowaną strukturę krystaliczną grafitu. Pod wpływem wysokiej temperatury atomy węgla ulegają przegrupowaniu, tworząc heksagonalną strukturę warstwową o wysokim stopniu orientacji, co znacznie poprawia przewodność elektryczną i cieplną oraz wytrzymałość mechaniczną materiału.
Charakterystyka: Produkt grafityzowany ma wysoce krystaliczną strukturę grafitu, która zapewnia doskonałą przewodność elektryczną i cieplną, a także wysoką wytrzymałość właściwą i moduł właściwy. Na przykład,włókna węgloweuzyskuje się poprzez wysoki stopień grafityzacji.
Szczegółowe kroki i wymagania sprzętowe dotyczące wstępnego utleniania, karbonizacji i grafityzacji:
Utlenianie wstępne: przeprowadzane w powietrzu w kontrolowanej temperaturze 200–300°C. Należy zastosować naprężenie, aby zmniejszyć skurcz włókien.
Karbonizacja: przeprowadzana w atmosferze obojętnej ze stopniowym wzrostem temperatury do 1000-2000°C.
Grafityzacja: przeprowadzana w wyższych temperaturach (2000-3000°C), zwykle w próżni lub w atmosferze obojętnej.
Czas publikacji: 22 maja 2025 r.
