一种可渐变激光碳化炉高效制备装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，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。本实用新型专利技术可加热温度范围高，装置占用空间小，加工成本低。

A high efficiency preparation device for gradual laser carbonization furnace

The utility model relates to a high efficiency preparation device for a gradual laser carbonization furnace, which belongs to the field of carbon fiber manufacturing, mainly including a wire drawing device, a front draft device, a gradual laser carbonization furnace, a rear drawing device, a sizing device, a drying device and a wire collecting device, a wire drawing device, a front draft device and a gradual laser carbonization furnace, The post drawing device, the sizing device, the drying device and the wire collecting device are placed in turn, and the wire drawing device is placed at the most front end. The wire drawing device is inserted into the preoxidized raw silk, and a set of drawing devices for the carbon fiber can be applied to the carbon fiber by a set of drawing device before and after the gradual change of the laser carbonization furnace. The carbon fiber can be heated by the tapered laser carbonization furnace as a heat treatment device. The treated carbon fiber is treated by the post drawing device and the surface treatment is carried out in the sizing device and the drying device. Finally, the carbon fiber after the treatment is reel by the wire collector. The utility model has the advantages of high heating temperature range, small occupied space and low processing cost.

【技术实现步骤摘要】
一种可渐变激光碳化炉高效制备装置
本涉及一种纤维碳化的高效制备装置，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。
技术介绍
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-basedproductionofcarbonfibers》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，本技术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。
技术实现思路
本技术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，用于碳纤维的碳化和石墨化。本技术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。本技术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。本技术一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，其中可渐变激光碳化炉主要包括炉体、可渐变功率激光发生器、激光可变角度夹持装置、高温和超高温红外测温仪、红外测温联动控制装置、气体密封装置、氧气浓度检测仪、石英玻璃窥视镜、气阀、气管和微型抽气泵。可渐变功率激光发生器包括激光头、激光光束整形器和激光器冷却水循环降温装置，总功率为100-1000w，低于100w功率过小难以达到使纤维发生热处理所需要的温度，高于1000w功率太大成本高，可渐变功率激光发生器选择焦距较长的镜片，能够产生较大且较深的焦点，激光光束整形器位于激光发生器的输出端，使激光发生器垂直照射纤维时可产生一长为150-200mm、宽为10-15mm的矩形光斑，设置激光发生器在碳化炉中间部分的顶部，便于照射碳纤维。可渐变功率激光发生器固定在激光可变角度夹持装置上，通过转动激光可变角度夹持装置使激光器顺时针倾斜一定角度0°～45°，可以实现激光器的聚焦，该激光可变角度夹持装置分别在0°和45°的位置设有限位，防止激光器旋转过度。可渐变功率激光发生器可以有一套，产生的照射温度覆盖石墨化需要的低温、高温和超高温。可渐变功率激光发生器也可以有三套，三套依次通过其激光可变角度夹持装置安装在炉体上端，分别实现碳纤维石墨化需要的低温、高温和超高温，此种情况下控温更精确，在温度期间的照射时间可以分别调整。石英玻璃窥视镜包括照射口石英玻璃、石英玻璃视窗，石英玻璃窥视镜保证炉体的密封。本技术一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，调节激光可变角度夹持装置的角度，使激光器产生的光聚焦于纤维上，产生长为150-350mm、底边为5-30mm的梯形光斑，通过激光器的照射使纤维温度瞬间升高。低温碳化过程中，建议激光发生器的总功率为100-300w，输出功率为总功率的10％～50％，调节激光可变角度夹持装置的角度，令进丝口处的高温红外检测仪检测到靠近进丝口处纤维温度约为300℃，出丝口处超高温红外检测仪检测到靠近出丝口处的纤维温度约为800℃；高温碳化过程中，建议激光发生器的总功率为200-600w，输出功率为总功率的15％～50％，调节激光可变角度夹持装置的角度，令进丝口处的高温红外检测仪检测到靠近进丝口处纤维温度为1000-1200℃，出丝口处超高温红外检测仪检测到靠近出丝口处的纤维温度约为1600-1800℃；在碳纤维石墨化过程中，建议激光发生器的总功率为500-1000w，输出功率为总功率的15％～60％，调节激光可变角度夹持装置的角度，令进丝口处的高温红外检测仪检测到靠近进丝口处纤维温度为2200-2500℃，出丝口处的超高温红外检测仪检测到靠近出丝口处的纤维温度约为2800-3300℃。其中300-800℃是纤维低温碳化的温度梯度范围，1000-1600℃是纤维高温碳化的温度梯度范围，2200-3300℃是碳纤维石墨化的温度梯度范围，热处理温度低于2200℃碳纤维无法转变为石墨化状态，热处理温度高于3500℃碳纤维会由于温度过高而溶解。照射过程中在纤维上形成温度梯度，增强纤维碳化和石墨化效果。本技术一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，在制备石墨纤维的过程中，调节激光可变角度夹持装置的角度0°～45°，使激光器产生的光聚焦于纤维上，碳纤维的热处理光斑长度为150-350mm、底边为5-30mm的梯形光斑，150-250mm、底边为5-30mm，激光器总功率为100-1000w，位于进丝口一侧的高温红外测温仪和出丝口一侧的超高温红外测温仪分别采集碳纤维的加热温度，将信号传递给红外测温联动装置控制器，通过红外测温联动装置控制器判断温度是否符合设定要求，控制激光可变角度夹持装置调节激光器倾斜角度和输出功率的大小，使纤维低温碳化温度区间为300-800℃，高温碳化温度区间为1000-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，其特征在于：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，可渐变激光碳化炉的前后各有一套牵伸装置，可渐变激光碳化炉主要包括炉体、可渐变功率激光发生器、激光可变角度夹持装置、高温和超高温红外测温仪、红外测温联动控制装置、气体密封装置、氧气浓度检测仪、石英玻璃窥视镜、气阀、气管和微型抽气泵，可渐变功率激光发生器包括激光头、激光光束整形器和激光器冷却水循环降温装置，可渐变功率激光发生器选择焦距较长的镜片，能够产生较大且较深的焦点，激光光束整形器位于激光发生器的输出端，激光发生器在碳化炉中间部分的顶部，可渐变功率激光发生器固定在激光可变角度夹持装置上，通过转动激光可变角度夹持装置使激光头发射的激光的照射角度顺时针倾斜。

【技术特征摘要】
1.一种可渐变激光碳化炉高效制备装置，其特征在于：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，可渐变激光碳化炉的前后各有一套牵伸装置，可渐变激光碳化炉主要包括炉体、可渐变功率激光发生器、激光可变角度夹持装置、高温和超高温红外测温仪、红外测温联动控制装置、气体密封装置、氧气浓度检测仪、石英玻璃窥视镜、气阀、气管和微型抽气泵，可渐变功率激光发生器包括激光头、激光光束整形器和激光器冷却水循环降温装置，可渐变功率激光发生器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李好义，黄灿，谭晶，丁玉梅，杨卫民，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：新型
国别省市：北京,11