[发明专利]一种可渐变激光碳化炉高效制备装置及方法

说明书

本发明一种可渐变激光碳化炉高效制备装置及方法，涉及一种纤维碳化的高效制备装置及方法，属于碳纤维制造领域，主要包括放丝装置、前牵伸装置、可渐变激光碳化炉、后牵伸装置、上浆装置、干燥装置和收丝装置，放丝装置、前牵伸装置、可渐变激光碳化炉、后牵伸装置、上浆装置、干燥装置和收丝装置依次放置，放丝装置放置在最前端，放丝装置进预氧化原丝的放丝，可渐变激光碳化炉的前后各有一套牵伸装置对碳纤维施加牵伸力，通过电机控制牵伸辊的转速来控制碳纤维的进丝速度，可渐变激光碳化炉作为热处理装置加热碳纤维，处理后的碳纤维经后牵伸装置，在上浆装置和干燥装置中进行表面处理，最后由收丝装置对处理后的碳纤维进行收卷。本发明可加热温度范围高，装置占用空间小，加工成本低。

技术领域

本发明涉及一种纤维碳化的高效制备装置及方法，该装置采用可渐变激光加热，可实现碳纤维碳化及石墨化的连续热处理，属于碳纤维制造领域。

背景技术

在碳纤维加工制造业中，为使碳纤维具备更高的机械性能，传统低温碳化炉分为5-6个加工室，每个加工室之间相差约100℃，形成300-800℃的温度梯度，高温碳化炉形成1000-1600℃的温度梯度，碳化炉多用保温材料和隔热板的设计，以保证纤维在热处理过程中温度恒定。传统方法存在很多缺点，为了加热纤维而需加热整个炉体，能耗高；采用阶梯温度的多个炉体实现碳化，结构复杂，占地面积大，牵伸单元复杂且加工成本高；受到炉体材料的限制，只能加热到2500℃，而且炉体材料易损坏，更换频繁且昂贵。

专利号为CN104294407提出了一种激光加热碳纤维的方法。激光热处理能量集中，黑色的碳纤维将吸收的光能转换为热能促使温度升高，可以在短时间能达到高温，由于加热区域小，炉壁上的热量主要是碳纤维加热区通过热传导和热辐射传递给炉壁，处于空气中的炉体温度并不会太高。而且，在加热过程中通入的惰性循环气体也会带走部分能量。因此，激光碳化和石墨化的炉体无需采用过于耐高温的材料，减少加工成本。但该方法只能使碳纤维在同一温度下热处理，无法实现可渐变温度的碳化。

传统碳化炉依靠石墨发热体等发热材料在惰性气氛中为纤维热处理营造一个高温环境，其升温过程需要一定时间，而激光可以通过对其功率控制，使之瞬间达到所要求的热处理温度，瞬间达到3000℃以上的高温，使材料经热处理变性，相比于传统热处理方法，激光热处理加工效率更高。如《Laser-basedproduction of carbon fibers》论文描述采用具有可编程控制功率的半导体激光器进行碳纤维的石墨化实验，该激光器可产生一长150mm、宽10mm的矩形光斑，通过编程控制激光功率呈一定规律提高，从而使加热温度逐渐上升。但该实验仅适用于不可移动的纤维，难以投入工业化生产。

因此，本发明提出一种可渐变功率密度的可渐变激光碳化炉高效制备装置及方法，用以解决传统碳化方法热处理时间长、效率低、材料成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有激光器只能对材料进行恒温均匀热处理的缺陷，提出了一种能够产生连续渐变功率密度的激光碳化炉装置及方法，用于碳纤维的碳化和石墨化。本发明的设计为通过激光功率连续渐变的方式，给碳纤维连续加热，这个过程要求激光固定，碳纤维丝束连续供给。通过激光倾斜一定角度放置或激光阵列为光纤式激光阵列的技术手段，在激光功率可渐变的热处理条件中，实现纤维碳化到石墨化的过程，通过一套热处理设备实现纤维碳化和石墨化一体化生产。有望代替碳纤维制造行业中通过石墨发热体等发热材料加热的传统生产方法。

本发明提出一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，主要包括放丝装置、前牵伸装置、可渐变激光碳化炉、后牵伸装置、上浆装置、干燥装置和收丝装置，放丝装置、前牵伸装置、可渐变激光碳化炉、后牵伸装置、上浆装置、干燥装置和收丝装置依次放置，放丝装置放置在最前端，放丝装置进预氧化原丝的放丝，可渐变激光碳化炉的前后各有一套牵伸装置对碳纤维施加一定的牵伸力，通过电机控制牵伸辊的转速来控制碳纤维的进丝速度，可渐变激光碳化炉作为热处理装置加热碳纤维，处理后的碳纤维经后牵伸装置，在上浆装置和干燥装置中进行表面处理，最后由收丝装置对处理后的碳纤维进行收卷。