本發(fā)明涉及碳化加工，尤其指一種用于炭基材加工的碳化處理工藝。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今材料科學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，炭基材憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高硬度、高導(dǎo)熱性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐高溫性能等，在眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如航空航天、電子信息、能源存儲(chǔ)、高溫工業(yè)設(shè)備以及汽車制造等領(lǐng)域。隨著各行業(yè)對(duì)炭基材性能要求的不斷提高，炭基材的加工工藝顯得尤為關(guān)鍵，其中碳化處理工藝是決定炭基材質(zhì)量和性能的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的炭基材碳化處理工藝存在諸多弊端。在預(yù)氧化階段，多數(shù)采用單階段高溫預(yù)氧化方式，這種方式直接將原料加熱至較高溫度，氧氣濃度也相對(duì)固定。在這種工藝條件下，纖維在高溫下快速氧化，容易出現(xiàn)不完全氧化和過氧化現(xiàn)象。不完全氧化會(huì)導(dǎo)致纖維在后續(xù)的碳化過程中無(wú)法形成理想的結(jié)構(gòu)，而過氧化則會(huì)使纖維的熱穩(wěn)定性大幅下降。同時(shí)，單階段高溫預(yù)氧化容易引發(fā)纖維的脆化問題，使得纖維的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低，嚴(yán)重影響炭基材的機(jī)械性能。此外，由于氧化過程不夠均勻，材料的阻燃性能也難以達(dá)到理想狀態(tài)，限制了炭基材在一些對(duì)阻燃要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。在碳化階段，傳統(tǒng)工藝也存在明顯不足。單段高溫碳化工藝一步將原料加熱至目標(biāo)溫度，雖然操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但這種方式會(huì)使纖維在短時(shí)間內(nèi)承受過高的溫度，導(dǎo)致纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)急劇變化，分子鏈的調(diào)整和重組不夠充分，從而造成纖維脆化。這不僅降低了炭基材的碳含量，還使得其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等機(jī)械性能指標(biāo)難以滿足高端應(yīng)用的需求。而且，單段高溫碳化形成的碳化結(jié)構(gòu)不夠完整，在高溫環(huán)境下，炭基材的熱穩(wěn)定性較差，質(zhì)量損失率較高，限制了其在高溫環(huán)境中的使用。在碳化過程中的氣氛保護(hù)方面，傳統(tǒng)工藝要么缺乏有效的保護(hù)措施，在空氣中直接進(jìn)行碳化，導(dǎo)致纖維表面與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化破壞，使纖維表面粗糙，出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響炭基材的表面質(zhì)量；要么采用的保護(hù)氣體濃度不足或流量控制不合理，無(wú)法充分發(fā)揮保護(hù)作用，導(dǎo)致碳化效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，傳統(tǒng)的冷卻方式通常采用快速冷卻，這種方式雖然能夠縮短生產(chǎn)周期，但快速冷卻會(huì)在炭基材內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致炭基材結(jié)構(gòu)受損，出現(xiàn)裂紋、變形等缺陷，嚴(yán)重影響炭基材的質(zhì)量和性能。在測(cè)試環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的炭基材加工工藝存在較大缺陷。在預(yù)氧化和碳化處理過程中，對(duì)原料性能的測(cè)試往往依賴經(jīng)驗(yàn)或單一指標(biāo)，無(wú)法全面、準(zhǔn)確地評(píng)估纖維的性能。例如，只關(guān)注機(jī)械強(qiáng)度而忽略熱穩(wěn)定性及其他綜合性能，導(dǎo)致對(duì)工藝效果的反饋不精確，難以據(jù)此對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行有效優(yōu)化，從而無(wú)法保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2、綜上所述，現(xiàn)有的炭基材碳化處理工藝在預(yù)氧化、碳化、氣氛保護(hù)、冷卻以及測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)存在明顯不足，嚴(yán)重制約了炭基材性能的提升和應(yīng)用范圍的拓展。因此，迫切需要開發(fā)一種新型的、更加科學(xué)合理的碳化處理工藝，以解決傳統(tǒng)工藝中存在的問題，提高炭基材的質(zhì)量和性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能炭基材日益增長(zhǎng)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種新型的、更加科學(xué)合理的、提高炭基材的質(zhì)量和性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能炭基材日益增長(zhǎng)的需求的一種用于炭基材加工的碳化處理工藝。

2、本發(fā)明公開了一種用于炭基材加工的碳化處理工藝，其包括：s1：預(yù)處理，取原料放入至反應(yīng)爐中進(jìn)行分段加熱處理進(jìn)行預(yù)氧化，預(yù)處理每階段對(duì)原料性能進(jìn)行測(cè)試；

3、s2：氧氣調(diào)控階段，分段加熱處理過程中對(duì)反應(yīng)爐中的氧氣濃度進(jìn)行調(diào)控；

4、s3：碳化分階段加熱階段，將經(jīng)過預(yù)氧化的原料進(jìn)行碳化分階段加熱，碳化分階段加熱每階段對(duì)原料性能進(jìn)行測(cè)試；

5、s4：冷卻階段，冷卻時(shí)控制降溫速率對(duì)原料進(jìn)行緩慢冷卻。

6、進(jìn)一步地，s1中預(yù)處理的分段加熱處理包括低溫階段、中溫階段及高溫階段，預(yù)處理過程中各階段的加熱參數(shù)為：

7、低溫階段中加熱時(shí)間為1-2小時(shí)，升溫速度為1.5-2.5°c/分鐘，加熱溫度為180-230°c；

8、中溫階段中加熱時(shí)間為2-4小時(shí)，升溫速度為0.8-1.2°c/分鐘，加熱溫度為230-260°c；

9、高溫階段中加熱時(shí)間為4-7小時(shí)，升溫速度為0.4-0.6°c/分鐘。加熱溫度為280-310°c.

10、進(jìn)一步地，s2中對(duì)反應(yīng)爐中的氧氣濃度進(jìn)行調(diào)控，氧氣濃度≥99.5%；

11、低溫階段控制氧氣濃度保持15-35%；

12、中溫階段控制氧氣濃度保持45-65%；

13、高溫階段控制氧氣濃度保持75-100%。

14、進(jìn)一步地，原料進(jìn)行分段加熱處理時(shí)通過氣體流量調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)氧氣的流速?gòu)亩{(diào)節(jié)氧氣的濃度；

15、氣體流量調(diào)節(jié)裝置包括：

16、氣體供應(yīng)模塊，氣體供應(yīng)模塊配備氣源壓力調(diào)節(jié)閥；

17、流量控制模塊，流量控制模塊包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體流速的質(zhì)量流量計(jì)及調(diào)節(jié)氣體流量的電磁閥或比例調(diào)節(jié)閥；

18、氣體混合模塊，氣體混合模塊包括將氧氣和其他保護(hù)氣體按照設(shè)定比例進(jìn)行混合的多組分氣體混合器；

19、分布式氣體噴射模塊，分布式氣體噴射模塊包括若干多點(diǎn)分布式噴射結(jié)構(gòu)；

20、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制模塊包括傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于plc或嵌入式系統(tǒng)的控制單元，傳感器網(wǎng)絡(luò)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)階段的氣體流量的流量傳感器、檢測(cè)氧氣濃度或惰性氣體濃度的濃度傳感器及監(jiān)測(cè)爐內(nèi)的氣體壓力變化的壓力傳感器；

21、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制模塊連接至氣體供應(yīng)模塊、流量控制模塊、氣體混合模塊及分布式氣體噴射模塊，流量控制模塊連接至氣體供應(yīng)模塊。

22、進(jìn)一步地，s1中的原料為聚丙烯腈纖維；

23、s3中碳化分階段加熱階段包括第一階段、第二階段及第三階段，碳化分階段加熱階段中各階段的條件為：

24、第一階段的加熱溫度為280-320°c，加熱時(shí)間為0.8-1.2小時(shí)；

25、第二階段的加熱溫度為380-420°c，加熱時(shí)間為1.8-2.2小時(shí)；

26、第三階段的加熱溫度為480-620°c，加熱時(shí)間為2.8-3.2小時(shí)。

27、進(jìn)一步地，氣體供應(yīng)模塊的氣源包括保護(hù)氣體，保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤庵械囊环N，氮?dú)饣驓鍤鉂舛取?9.99%；

28、碳化分階段加熱階段加熱過程中通過保護(hù)氣體對(duì)原料進(jìn)行保護(hù)，各階段保護(hù)氣體的流量為：

29、第一階保護(hù)氣體的流量0.8-1.2l/min，

30、第二階段保護(hù)氣體的流量1.8-2.2l/min，

31、第三階段保護(hù)氣體的流量2.8-3.2l/min。

32、進(jìn)一步地，s4中的冷卻階段對(duì)原料進(jìn)行等速降溫；

33、s4中的冷卻階段的降溫速率為每分鐘降溫0.5-8°c。

34、進(jìn)一步地，s1及s3中預(yù)處理每階段對(duì)原料性能進(jìn)行測(cè)試及碳化分階段加熱每階段對(duì)原料性能進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)目包括：對(duì)原料進(jìn)行熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、阻燃性能、纖維表面形態(tài)、碳含量、機(jī)械性能、碳化效率、高溫耐受性及抗氧化性測(cè)試。

35、本發(fā)明的有益效果：

36、本發(fā)明的一種用于炭基材加工的碳化處理工藝，通過分段預(yù)氧化，低溫激活分子鏈，中高溫實(shí)現(xiàn)充分環(huán)化，降低聚丙烯腈纖維在特定溫度下的質(zhì)量損失，熱穩(wěn)定性顯著提升。分段溫控有效避免聚丙烯腈纖維脆化，保留較高拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，機(jī)械性能得以增強(qiáng)。促使分子鏈梯狀結(jié)構(gòu)更完整，大幅提高聚丙烯腈纖維極限氧指數(shù)，阻燃性能更優(yōu)越。

37、本發(fā)明的一種用于炭基材加工的碳化處理工藝，通過分段碳化，分段碳化逐步去除非碳元素，顯著提高炭基材的碳含量，為高性能產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。分段升溫防止聚丙烯腈纖維脆化，明顯提升聚丙烯腈纖維強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，實(shí)際應(yīng)用性能更佳。形成更完整碳化結(jié)構(gòu)，高溫下抗分解能力強(qiáng)，能良好適應(yīng)高溫環(huán)境。采用高濃度保護(hù)氣體，分階段合理設(shè)置流量，有效防止聚丙烯腈纖維表面氧化破壞，使其更光滑完整。減少非碳化反應(yīng)，帶走反應(yīng)副產(chǎn)物，優(yōu)化碳化過程，提升碳化效率和熱穩(wěn)定性。等速降溫避免熱沖擊，防止熱應(yīng)力積累和裂紋產(chǎn)生，確保炭基材結(jié)構(gòu)完整。為微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整提供充足時(shí)間，促使形成更致密均勻組織，提升物理化學(xué)性能。在預(yù)氧化和碳化各階段開展多種測(cè)試，全面、精準(zhǔn)地反饋工藝效果。多維度測(cè)試數(shù)據(jù)為工藝參數(shù)優(yōu)化提供準(zhǔn)確支撐，結(jié)合相關(guān)曲線和結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)，確保工藝精確，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。