一种吸波碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术属于碳纤维制备技术领域，特别涉及一种吸波碳纤维及其制备方法。本发明专利技术将中间相沥青与碳纳米管混合后，在真空条件下加热反应，得到改性中间相沥青；将所述改性中间相沥青加热至熔融状态再加压、纺丝制得中间相沥青纤维原丝，将所述原丝再经氧化、碳化处理制得碳纤维。本发明专利技术的制备方法简单、易于工业化生产；制备的碳纤维力学性能优异，拉伸强度达2GPa，可加工性较好，可直接作为结构材料使用；同时具有良好的吸波性能，在2

【技术实现步骤摘要】
一种吸波碳纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维制备
，特别涉及一种吸波碳纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]吸波材料由于具有抵挡并削弱电磁波辐射的特性目前被广泛应用，尤其是在军事领域，为适应现代高技术、立体化战争的需要，具有承载和吸波双重功能的结构型吸波材料显得尤为重要。一般地，电磁波接触吸波材料时，在材料表面反射越少，并且在材料内部损耗越多，则吸波材料的吸波性能越强。测试时，常通过在一定电磁波频率范围(吸波频带)内的吸收率(dB)或反射率(
‑
dB)来表征吸波性能强弱，频带越宽、吸收峰值越高(或反射峰值越低)，表明吸波性能越好。
[0003]近年来，碳纤维因其具备耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性常被用作结构型材料，有研究发现，具有异形截面的碳纤维、异形结构的碳纤维复合材料或者经过改性的碳纤维具有一定的吸波性能。作为碳纤维的一种，中间相沥青基碳纤维比普通碳纤维具有更高的模量和导热性，有望作为军事战机隐身材料创造价值。然而，未改性的沥青基中间相碳纤维吸波性能往往较差，将其作为结构型吸波材料仍是科学研究难以突破的瓶颈。
[0004]中国文献(杨国伟,等.沥青基中空碳纤维的制备及其吸波性能[J].化工进展，2009，28(8)：1400
‑
1414.)中公开了沥青基中空碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，首先将中间相沥青熔融纺丝为原丝，原丝再经氧化、碳化得到沥青基中空碳纤维，然后将环氧树脂与三乙烯四胺以质量比为10:1构成的树脂体系与沥青基中空碳纤维复合制得混杂纤维单向平行铺层或交叉铺层设计的复合材料；所得纤维单向平行铺层设计的复合材料的吸波性能具有明显的各向异性，在垂直极化方向上的吸收损耗基本在
‑
5dB；在平行极化方向上吸收峰值为
‑
20dB，在
‑
10dB以下的频带宽大于9GHz；交叉铺层设计的复合材料的反射率在
‑
10dB以下的频带宽吸波频带为10GHz，最大吸收峰为
‑
25dB。
[0005]虽然上述文献通过将沥青基中空碳纤维与环氧树脂进行复合制得具有一定吸波性能的吸波材料，但是由于沥青基中空碳纤维未改性而导致复合材料吸波性能仍欠佳，并且其未考虑碳纤维作为结构型吸波材料所必须的力学性能和热性能。

技术实现思路

[0006]针对以上存在的中间相沥青基碳纤维吸波性能、力学性能等综合性能较差的问题，本专利技术提供一种吸波碳纤维及其制备方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种吸波碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009](1)将中间相沥青与碳纳米管混合后，在真空条件下加热反应，得到改性中间相沥青；
[0010](2)将步骤(1)所述改性中间相沥青加热至熔融状态再加压、纺丝制得中间相沥青纤维原丝，将所述原丝再经氧化、碳化处理制得碳纤维。
[0011]碳纳米管在一定频率范围内有一定的吸波性能，用碳纳米管对中间相沥青改性，一是能够扩大吸波范围增强吸波能力，二是能够增强沥青碳纤维的力学性能。
[0012]碳纳米管内部为充满气体的空心结构，步骤(1)抽真空的目的是使碳纳米管内部的气体分子溢出，使其内部呈真空状态，从而有利于中间相沥青分子进入碳纳米管内；并且能够将中间相沥青中的小分子化合物等作为杂质分离，把反应体系中的空气去除，防止沥青被空气中的氧气氧化。
[0013]优选的，步骤(1)中所述中间相沥青的软化点为270
‑
290℃。
[0014]优选的，所述步骤(1)中碳纳米管为单壁碳纳米管，所述碳纳米管直径为1～5nm，长度为50～100nm；进一步优选的，所述碳纳米管的表观密度为1.0～1.2g/cm3。
[0015]因为中间相沥青纤维直径较小，混杂在其中的任何有尺寸异物(如碳纳米管)都是杂质，杂质会影响纺丝效果导致不能纺丝，即使可以纺出纤维，在后续处理中尺寸大的杂质对纤维力学性能的影响非常大。与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管直径较小，对纺丝的影响较小。
[0016]步骤(1)是将碳纳米管掺杂至中间相沥青中并得到改性中间相沥青，步骤(1)中所述的中间相沥青为软化点较低的中间相沥青，其密度在1.2g/cm3以下，接近碳纳米管的表观密度，中间相沥青在加热融化后密度会进一步降低并与纳米管的表观密度更加接近，密度接近有利于碳纳米管在中间相沥青中均匀分布，两者掺杂后在液态下可形成相对均匀分布的液
‑
固相合金。
[0017]优选的，所述步骤(1)中碳纳米管与中间相沥青的质量比为1～10：100，进一步优选的，碳纳米管与中间相沥青的质量比为1:100、2:100、4:100、6:100、8:100、10:100或者上述任意两种比例的组合。
[0018]优选的，所述步骤(1)中，加热的温度为380
‑
420℃，真空条件为2500
‑
3500Pa。
[0019]优选的，反应在搅拌条件下进行，搅拌反应的时间为0.5～3h。
[0020]优选的，所述步骤(1)中加热反应时需搅拌，搅拌的转速(rpm/min)为50、100、200、300、500或者任意上述两个转速的组合。
[0021]所述步骤(1)中在反应完全之后将反应体系的温度降至室温时需保持搅拌，其作用是使中间相沥青与碳纳米管的混合物不因为密度差异出现分层，保证后续纺丝时的混合物均匀。
[0022]优选的，所述步骤(2)中加热温度为300
‑
350℃，恒温的时间为15
‑
25min。升温恒温后中间相沥青由固态转变为能够进行纺丝的熔融状态，如果未升温至熔化温度即加压，中间相沥青可能未完全熔化而不能成丝。
[0023]优选的，所述步骤(2)中加压的压力(MPa)为1、2、5、10、15或者上述任意两个压力的组合。
[0024]步骤(2)包括在不同压力下将原丝制成碳纤维的过程，在纺丝机收丝筒转速一定的情况下，不同压力纺丝制得的碳纤维直径不同，性能也有差异。
[0025]优选的，所述步骤(2)中制取原丝的牵伸速度为100～500m/min。
[0026]优选的，所述步骤(2)中间相沥青纤维原丝在氧化炉中进行氧化处理，氧化时需要从室温升温至氧化温度并恒温，所述氧化温度为250～350℃，升温速率为0.5～5.0℃/min，恒温时间为5～20min。
[0027]一般地，原丝只有内外都经过氧化，才能在后续的热处理中保持纤维状态，而直径大的原丝需要较长的氧化时间，这样氧化性气氛才能充分进入纤维内部以保证充分氧化。
[0028]优选的，所述步骤(2)中所述碳化的温度为700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1300℃或者上述任意两个温度的组合，碳化时间为10～60min；进一步优选的步骤(2)中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种吸波碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将中间相沥青与碳纳米管混合后，在真空条件下加热反应，得到改性中间相沥青；(2)将步骤(1)所述改性中间相沥青加热至熔融状态，再加压、纺丝制得中间相沥青纤维原丝，将所述原丝经氧化、碳化处理制得吸波碳纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中间相沥青的软化点为270～290℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳纳米管为单壁碳纳米管，所述碳纳米管直径为1～5nm，长度为50～100nm；优选的，所述碳纳米管的表观密度为1.0～1.2g/cm3。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)碳纳米管与中间相沥青的质量比为(1～10)：100。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加热的温度为380～420℃，抽真空至2500～3500Pa，反应在搅拌条件下进行；优选的，所述反应的时间为0.5～3h；优选的，所述搅拌的转速为50rpm/min、100rpm/min、200rpm/min、300rpm/min、500rpm/min或者任意上述两个转速的组合。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加热温度为300
‑
350℃。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压的压力为1MP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，王硕，薛锐生，王象东，赵东林，田雨华，杜伟，
申请(专利权)人：山东瑞城宇航碳材料有限公司，
类型：发明
国别省市：