PAN-basierte Rohdrähte müssen voroxidiert, bei niedriger Temperatur karbonisiert und bei hoher Temperatur karbonisiert werden, umKohlenstofffasernund dann graphitiert, um Graphitfasern herzustellen. Die Temperatur liegt zwischen 200 °C und 2000–3000 °C, wodurch unterschiedliche Reaktionen stattfinden und unterschiedliche Strukturen entstehen, die wiederum unterschiedliche Eigenschaften haben.
1. Pyrolysestufe:Voroxidation im Niedertemperaturteil, Niedertemperaturverkokung im Hochtemperaturteil
Die voroxidative Arylierung dauert etwa 100 Minuten und wird bei einer Temperatur von 200–300 °C durchgeführt. Ziel ist die Umwandlung der linearen Makromolekülkette des thermoplastischen PAN in eine nicht-plastische, hitzebeständige Trapezstruktur. Die Hauptreaktion der Makromolekülkette ist die Zyklisierung und intermolekulare Vernetzung, begleitet von einer Pyrolysereaktion und der Freisetzung vieler kleiner Moleküle. Der Arylierungsindex liegt im Allgemeinen bei 40–60 %.
Niedrigtemperatur-KarbonisierungstemperaturDie Temperatur liegt im Allgemeinen bei 300–800 °C, hauptsächlich bei der thermischen Crackreaktion, bei der meist die Drahtheizung in einem Hochtemperatur-Elektroofen verwendet wird. In dieser Phase entstehen große Mengen an Abgasen und Teer.
Eigenschaften: Die Farbe der voroxidierten Faser wird dunkler, normalerweise schwarz, behält aber immer noch die Morphologie der Faser, die innere Struktur hat einen gewissen Grad an chemischen Veränderungen erfahren, die Bildung einer Reihe von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen und Vernetzungsstrukturen, die den Grundstein für die nachfolgende Karbonisierung legen.
2. (Hochtemperatur-)KarbonisierungsstufeDabei handelt es sich um die Voroxidation des Vorläufers in einer inerten Atmosphäre bei hoher Temperatur. Dabei werden neben Kohlenstoff auch Heteroatome (wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff usw.) entfernt, wodurch eine allmähliche Karbonisierung und die Bildung einer amorphen oder mikrokristallinen Kohlenstoffstruktur erfolgt. Dieser Prozess ist ein wichtiger Schritt bei der Bildung des Kohlenstoffgerüsts. Die Temperatur liegt in der Regel zwischen 1000 und 1800 °C. Die Reaktion findet hauptsächlich durch thermische Kondensation statt. Die meisten Graphitheizungen werden zum Heizen verwendet.
Eigenschaften: Der Hauptbestandteil des karbonisierten Materials ist Kohlenstoff, die Struktur besteht meist aus amorphem Kohlenstoff oder einer chaotischen Graphitstruktur, seine elektrische Leitfähigkeit und seine mechanischen Eigenschaften sind im Vergleich zum Produkt vor der Oxidation deutlich verbessert.
3. Graphitierungist eine weitere Wärmebehandlung von Karbonisierungsprodukten bei höheren Temperaturen, um die Struktur von amorphem oder mikrokristallinem Kohlenstoff zu einer geordneteren Graphitkristallstruktur zu führen. Durch die Einwirkung hoher Temperaturen werden Kohlenstoffatome neu angeordnet und bilden eine hexagonale Gitterschichtstruktur mit hohem Orientierungsgrad. Dadurch werden die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit des Materials deutlich verbessert.
Eigenschaften: Das graphitierte Produkt hat eine hochkristalline Graphitstruktur, die eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul bietet. Zum Beispiel: HochmodulKohlenstofffasernwerden durch einen hohen Graphitisierungsgrad erreicht.
Spezifische Schritte und Ausrüstungsanforderungen für die Voroxidation, Karbonisierung und Graphitierung:
Voroxidation: erfolgt in Luft bei einer kontrollierten Temperatur von 200–300 °C. Um die Faserschrumpfung zu reduzieren, muss Spannung angelegt werden.
Karbonisierung: erfolgt in einer inerten Atmosphäre mit einer allmählichen Temperaturerhöhung auf 1000–2000 °C.
Graphitierung: wird bei höheren Temperaturen (2000–3000 °C) durchgeführt, normalerweise im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre.
Veröffentlichungszeit: 22. Mai 2025
