PAN-basierte Rohdrähte müssen voroxidiert, bei niedriger Temperatur karbonisiert und bei hoher Temperatur karbonisiert werden, umKohlenstofffasernund dann graphitiert, um Graphitfasern herzustellen. Die Temperatur reicht von 200 °C bis 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 Arylierung erfolgt vor der Oxidation. Sie dauert etwa 100 Minuten und wird bei einer Temperatur von 200–300 °C durchgeführt. Ziel ist es, die lineare Makromolekülkette des thermoplastischen PAN in eine nicht-plastische, hitzebeständige Trapezstruktur umzuwandeln. 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. Es handelt sich hauptsächlich um eine thermische 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 anschließende Karbonisierung legen.
2. (Hochtemperatur-)Karbonisierungsstufe, ist die Voroxidation des Vorläufers in einer inerten Atmosphäre bei hoher Temperatur, wobei neben Kohlenstoff auch Heteroatome (wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff usw.) entfernt werden, sodass eine allmähliche Karbonisierung und die Bildung einer amorphen Kohlenstoff- oder mikrokristallinen Kohlenstoffstruktur erfolgt. Dieser Prozess ist ein wichtiger Schritt bei der Bildung des Kohlenstoffgerüsts. Die Temperatur liegt im Allgemeinen zwischen 1000 und 1800 °C. Hauptsächlich handelt es sich um eine thermische Kondensationsreaktion, die meist mit Graphitheizungen beheizt wird.
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 Kohlenstoff oder mikrokristallinem Kohlenstoff in eine geordnetere Graphitkristallstruktur umzuwandeln. Durch die Einwirkung hoher Temperaturen werden Kohlenstoffatome neu angeordnet und bilden eine hexagonale Gitterschichtstruktur mit hohem Orientierungsgrad, wodurch die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit des Materials deutlich verbessert werden.
Eigenschaften: Das graphitierte Produkt hat eine hochkristalline Graphitstruktur, die eine ausgezeichnete 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.
Graphitisierung: wird bei höheren Temperaturen (2000–3000 °C) durchgeführt, normalerweise im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre.
Veröffentlichungszeit: 22. Mai 2025
