碳纖(xian)維(wei)預制體(ti)低溫(wen)碳化：箱(xiang)式(shi)真(zhen)空(kong)氣(qi)氛(fen)爐(lu)多段氣氛切換(huan)技(ji)術

摘要(yao) 

碳纖維(wei)預制體(ti)的低溫(wen)碳化是決(jue)定(ding)最終(zhong)產(chan)品性能的(de)關(guan)鍵(jian)環節(jie)。箱(xiang)式(shi)真(zhen)空(kong)氣(qi)氛(fen)爐(lu)通(tong)過(guo)多段氣氛切換(huan)技(ji)術，在碳(tan)化各(ge)階(jie)段精準切換(huan)真(zhen)空(kong)、惰(duo)性及(ji)反(fan)應(ying)性氣(qi)氛(fen)，有(you)效促進非(fei)碳元素(su)脫除，抑(yi)制(zhi)纖(xian)維(wei)損傷(shang)，提(ti)升(sheng)碳(tan)化(hua)效(xiao)率與產(chan)物質(zhi)量壹致(zhi)性，為(wei)高性能碳(tan)基(ji)復合(he)材(cai)料奠(dian)定(ding)基(ji)礎(chu)。

壹、工(gong)藝(yi)核心(xin)：低(di)溫(wen)碳化的(de)挑戰(zhan)與氣(qi)氛作用

揮發(fa)性副(fu)產(chan)物的(de)排除(chu)：前驅(qu)體(ti)纖維(wei)在(zai)加(jia)熱中(zhong)釋放氫(qing)、氧、氮(dan)等元素(su)，形(xing)成(cheng)H₂O、HCN、焦油等(deng)小(xiao)分子。若(ruo)未能及(ji)時(shi)排出，易造(zao)成(cheng)孔(kong)隙、缺(que)陷(xian)甚至(zhi)纖維(wei)粘(zhan)連(lian)，損害(hai)力學性能。

纖維(wei)結(jie)構的(de)可控(kong)轉化：此(ci)階(jie)段的目標(biao)是形(xing)成(cheng)初(chu)步的(de)亂(luan)層(ceng)石(shi)墨(mo)結構，同(tong)時(shi)要(yao)最大(da)限度(du)地維(wei)持(chi)纖(xian)維(wei)的(de)軸向(xiang)取向(xiang)，並避(bi)免因(yin)劇(ju)烈(lie)反(fan)應(ying)導(dao)致(zhi)的纖維(wei)起(qi)泡(pao)、皮(pi)芯(xin)結構等(deng)問題(ti)的(de)產(chan)生。整個過(guo)程需(xu)要(yao)在精(jing)確的速(su)率控(kong)制下進行，任何失(shi)控(kong)都可能導(dao)致(zhi)整批產(chan)品的(de)性能劣(lie)化。

二(er)、技(ji)術載體(ti)：箱(xiang)式(shi)真(zhen)空(kong)氣(qi)氛(fen)爐(lu)的系(xi)統優(you)勢(shi)

1. 密閉均溫(wen)腔體(ti)：箱(xiang)式(shi)真(zhen)空(kong)氣(qi)氛(fen)爐(lu)高性能隔(ge)熱與(yu)精(jing)密加熱系(xi)統確保(bao)爐(lu)膛溫(wen)度(du)均勻(yun)，是實(shi)現批(pi)次壹致(zhi)性的(de)基(ji)礎(chu)。  

2. 集成(cheng)化(hua)氣路(lu)系(xi)統：多路(lu)高純(chun)氣源(yuan)、質量流量控(kong)制器(qi)及(ji)壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現氣(qi)體(ti)流速(su)與壓力的精確控(kong)制。  

3. 真(zhen)空(kong)與(yu)氣(qi)氛(fen)置換(huan)能力：箱(xiang)式(shi)真(zhen)空(kong)氣(qi)氛(fen)爐(lu)快速(su)抽(chou)真(zhen)空(kong)可在階(jie)段轉換(huan)時(shi)“清洗(xi)"爐(lu)膛，精確切換(huan)至(zhi)所需(xu)氣(qi)氛狀態。

三、決(jue)勝(sheng)之(zhi)道(dao)：多段氣氛切換(huan)的(de)精細化策略(lve)

多段氣氛切換(huan)技(ji)術的精(jing)髓在(zai)於“因(yin)時(shi)制(zhi)宜"，針對(dui)碳化(hua)不(bu)同(tong)階(jie)段的主(zhu)要(yao)矛盾，提(ti)供(gong)最適宜(yi)的(de)氣相環境(jing)。壹(yi)個(ge)典型(xing)的(de)策略(lve)流(liu)程如下：

第壹階(jie)段：初始升(sheng)溫(wen)與真(zhen)空(kong)脫氣

在低溫(wen)碳化的(de)初始升(sheng)溫(wen)階(jie)段，前驅(qu)體(ti)開(kai)始軟(ruan)化並釋放出大(da)量的小(xiao)分子和焦油狀物(wu)質(zhi)。

此(ci)時采用真(zhen)空(kong)或(huo)低(di)流速(su)惰性氣(qi)體(ti)吹(chui)掃策略(lve)。真(zhen)空(kong)環境(jing)能有(you)效降低這(zhe)些小分子產(chan)物的(de)分壓，使(shi)其沸(fei)點(dian)降低，從(cong)而以更快(kuai)的速(su)率從(cong)纖(xian)維(wei)內(nei)部(bu)逸(yi)出並被(bei)抽(chou)走。這(zhe)極大(da)地減(jian)少(shao)了(le)有(you)害(hai)副(fu)產(chan)物在(zai)纖維(wei)內(nei)部(bu)的滯(zhi)留(liu)時(shi)間，為(wei)形(xing)成(cheng)致(zhi)密的初始碳(tan)結(jie)構打下基(ji)礎(chu)。

第二(er)階(jie)段：中(zhong)溫(wen)裂解與(yu)惰性氣(qi)體(ti)保(bao)護(hu)

當溫(wen)度(du)升至(zhi)主(zhu)要(yao)裂解(jie)反(fan)應(ying)發(fa)生的(de)區(qu)間，纖維(wei)骨架開(kai)始發(fa)生劇(ju)烈(lie)的(de)化(hua)學(xue)鍵(jian)斷(duan)裂與(yu)重組(zu)。

此(ci)時切換(huan)至(zhi)穩定(ding)流量的高純(chun)惰性氣(qi)體(ti)氛圍。其(qi)主(zhu)要(yao)作用有(you)三：壹是維(wei)持(chi)壹(yi)個(ge)純凈(jing)的惰(duo)性環境(jing)，防(fang)止(zhi)高溫(wen)下的纖(xian)維(wei)與(yu)氧(yang)氣(qi)等發(fa)生反(fan)應(ying)；二(er)是作為(wei)載(zai)氣(qi)，繼(ji)續(xu)將(jiang)新生(sheng)成(cheng)的(de)裂解氣體(ti)產(chan)物帶(dai)離(li)反(fan)應(ying)區(qu)；三是通(tong)過(guo)對(dui)流作用，促進爐內溫(wen)度(du)場的均勻(yun)，確保(bao)所(suo)有(you)預制體(ti)同步反(fan)應(ying)。

第三階(jie)段：深度(du)碳化(hua)與(yu)反(fan)應(ying)性氣(qi)氛(fen)精(jing)調

在更高的(de)溫(wen)度(du)區間，為(wei)了(le)進壹步促進非(fei)碳元素(su)的(de)脫除和碳(tan)網平面的生(sheng)長，有(you)時會(hui)引入微(wei)量的反(fan)應(ying)性氣(qi)氛(fen)。

這(zhe)些反(fan)應(ying)性氣(qi)體(ti)能夠(gou)像(xiang)“分子剪刀(dao)"壹(yi)樣(yang)，選(xuan)擇(ze)性地與(yu)纖(xian)維(wei)中(zhong)殘留(liu)的(de)氫(qing)、氧等(deng)元素(su)反(fan)應(ying)，生(sheng)成(cheng)揮(hui)發(fa)性的(de)氯(lv)化(hua)物而被移(yi)除，從(cong)而起到“純化(hua)"和促進石墨(mo)化微(wei)晶生(sheng)成(cheng)的(de)作用。此(ci)階(jie)段的氣氛控(kong)制需(xu)極(ji)為(wei)精(jing)確，流量與濃(nong)度(du)必(bi)須嚴(yan)格控(kong)制，以避(bi)免對(dui)碳纖(xian)維(wei)骨架造(zao)成(cheng)過(guo)度(du)侵(qin)蝕。

四(si)、價(jia)值(zhi)與展望：推(tui)動(dong)工(gong)藝(yi)升級(ji)  

多段氣氛切換(huan)技(ji)術的應(ying)用，為(wei)碳(tan)纖(xian)維(wei)預制體(ti)的制備帶來(lai)了(le)質(zhi)的(de)飛(fei)躍(yue)，並展現(xian)出廣(guang)闊的未來(lai)前景(jing)。

顯著(zhu)提(ti)升(sheng)產(chan)品性能與(yu)壹(yi)致(zhi)性：通(tong)過(guo)精準的氣(qi)氛控(kong)制，有(you)效減(jian)少(shao)了(le)纖(xian)維(wei)內(nei)部(bu)缺陷(xian)，提(ti)高了(le)碳(tan)收(shou)率和最終(zhong)產(chan)品的(de)力學性能，同(tong)時(shi)確保(bao)了(le)同(tong)壹(yi)批(pi)次乃至(zhi)不(bu)同(tong)批(pi)次間產(chan)品質(zhi)量的穩(wen)定(ding)。

增強工(gong)藝(yi)窗口與研發(fa)能力：該(gai)技(ji)術為(wei)工(gong)藝(yi)工(gong)程師(shi)提(ti)供(gong)了(le)壹(yi)個(ge)更寬(kuan)、更精(jing)細的(de)調(tiao)控(kong)維(wei)度(du)。通(tong)過(guo)設計(ji)不(bu)同(tong)的(de)氣(qi)氛切換(huan)程序(xu)，可以探(tan)索(suo)和優(you)化針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)前驅(qu)體(ti)原料的最佳碳(tan)化(hua)路(lu)徑，加(jia)速(su)新材(cai)料的研發(fa)進程。