PAN-basierte Rohdrähte müssen voroxidiert, bei niedriger Temperatur karbonisiert und bei hoher Temperatur karbonisiert werden, um sie zu bilden.KohlenstofffasernAnschließend wird das Material graphitiert, um Graphitfasern herzustellen. Die Temperatur reicht von 200 °C bis 2000–3000 °C, wodurch verschiedene Reaktionen ablaufen und unterschiedliche Strukturen entstehen, die wiederum unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
1. Pyrolysephase:Voroxidation im Niedertemperaturbereich, Niedertemperaturkarbonisierung im Hochtemperaturbereich
Die Voroxidationsarylierung, die etwa 100 Minuten dauert und bei einer Temperatur von 200–300 °C erfolgt, dient der Umwandlung der linearen thermoplastischen PAN-Makromolekülketten in eine nicht-plastische, hitzebeständige Trapezstruktur. Hauptreaktion ist die Cyclisierung der Makromolekülketten und die intermolekulare Vernetzung, begleitet von einer Pyrolyse und der Freisetzung zahlreicher kleiner Moleküle. Der Arylierungsgrad liegt üblicherweise bei 40–60 %.
Niedrigtemperatur-KarbonisierungstemperaturDie Temperatur liegt im Allgemeinen zwischen 300 und 800 °C, hauptsächlich findet eine thermische Crackreaktion statt, wobei meist ein Hochtemperatur-Elektroofen zur Drahterhitzung eingesetzt wird. In dieser Phase entstehen große Mengen an Abgasen und Teer.
Charakteristika: Die Farbe der voroxidierten Faser wird dunkler, meist schwarz, behält aber die Morphologie der Faser bei. Die innere Struktur hat einen gewissen Grad an chemischen Veränderungen erfahren, es bilden sich eine Reihe von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen und eine Vernetzungsstruktur, wodurch die Grundlage für die nachfolgende Karbonisierung geschaffen wird.
2. (Hochtemperatur-)KarbonisierungsstufeDie Voroxidation des Vorläufers in inerter Atmosphäre bei hoher Temperatur führt zur Zersetzung und zur Abspaltung von Kohlenstoff sowie Heteroatomen (wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff usw.). Dies ermöglicht die schrittweise Karbonisierung und die Bildung von amorphem oder mikrokristallinem Kohlenstoff. Dieser Prozess ist ein Schlüsselschritt bei der Bildung des Kohlenstoffgerüsts. Die Temperatur liegt üblicherweise zwischen 1000 und 1800 °C; hauptsächlich findet eine thermische Kondensationsreaktion statt. Zum Erhitzen werden meist Graphitheizer verwendet.
Eigenschaften: Hauptbestandteil des karbonisierten Materials ist Kohlenstoff, die Struktur besteht überwiegend aus amorphem Kohlenstoff oder chaotischer Graphitstruktur, seine elektrische Leitfähigkeit und seine mechanischen Eigenschaften sind im Vergleich zum Produkt vor der Oxidation deutlich erhöht.
3. GraphitisierungEine weitere Wärmebehandlung der Karbonisierungsprodukte bei höheren Temperaturen dient dazu, die Struktur von amorphem oder mikrokristallinem Kohlenstoff in eine geordnetere Graphitkristallstruktur umzuwandeln. Durch die Einwirkung hoher Temperaturen ordnen sich die Kohlenstoffatome neu an und bilden eine hexagonale Gitterstruktur mit hoher Orientierung. Dies verbessert die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit des Materials deutlich.
Eigenschaften: Das graphitierte Produkt weist eine hochkristalline Graphitstruktur auf, die für eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul sorgt. Beispielsweise bietet hochmoduligesKohlenstofffasernwerden durch einen hohen Graphitisierungsgrad erreicht.
Spezifische Schritte und Ausrüstungsanforderungen für die Voroxidation, Karbonisierung und Graphitisierung:
Voroxidation: erfolgt an der Luft bei einer kontrollierten Temperatur von 200-300 °C. Um die Faserschrumpfung zu reduzieren, muss eine Spannung angelegt werden.
Karbonisierung: erfolgt in einer inerten Atmosphäre mit einem allmählichen Temperaturanstieg auf 1000-2000°C.
Graphitisierung: wird bei höheren Temperaturen (2000-3000°C) durchgeführt, üblicherweise im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre.
Veröffentlichungsdatum: 22. Mai 2025
