一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，主要包括可調功率激光發生器、紅外測溫聯動控制裝置、非接觸式迷宮密封裝置、石英玻璃管、光散射裝置和牽引裝置，碳纖維位于石英玻璃管的軸芯，碳纖維從石英玻璃管的進絲口經由非接觸式迷宮密封裝置進入石英玻璃管內，碳纖維由牽引裝置在施加一定牽引力下以一定的速度移動，爐內充滿高純度惰性氣體，本發明位于石英玻璃管進絲口一端的可調功率激光發生器經由激光分配器產生多路激光，激光發射頭相對于石墨化爐的石英玻璃管軸芯軸對稱均勻布置，使得多路激光相對軸芯以相同角度照射在帶有鏡面的石英玻璃管加熱區內壁上產生多次反射并在軸芯處聚焦，從而對碳纖維進行快速加熱，能量利用率高。
【專利說明】一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，屬于碳纖維石墨化加工制造領域。

【背景技術】
[0002]石墨纖維是由碳纖維在惰性氣體的保護下于2000-30001進行石墨化而制得的。在石墨化過程中，碳纖維能進一步脫除5%左右的非碳元素，同時碳原子進行類石墨結構的排列，在微觀上由二維層石墨結構向三維有序結構轉變，晶體尺寸增大，取向度增加，從而使得碳纖維的模量提高。影響碳纖維石墨化的關鍵因素是石墨化設備和高溫熱處理技術。
[0003]目前，在國內外工業上普遍采用碳纖維石墨化設備多為高溫管式石墨化電阻爐，其缺點是耗電量大，而且發熱體壽命短，從而導致成本高，另外，工業上還有采用感應石墨化爐，利用感應原理對碳纖維進行高溫石墨化處理，此法一般通過間接加熱石墨發熱體(爐管或坩堝)，碳纖維在坩堝內或從石墨管內穿過而被間接加熱，其缺點在于對設備結構和材料要求高、熱能損失大。中國專利⑶1399017公開了一種碳纖維石墨化新工藝及裝置，該裝置解決了部分傳統石墨化爐的缺點，但是存在高溫下氣體電離造成無法保持高溫，及耦合腔在高溫下氧化損壞快等技術障礙。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提出一種低能耗、低成本、對設備的結構和材料要求低，同時實現快速加熱石墨化且便于連續性生產的裝置和方法。
[0005]實現上述目的技術方案是:將傳統高溫石墨化工藝中的石墨化爐改進為本發明中一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐。碳纖維由牽引裝置在施加一定牽引力下先通過帶阻尼的放絲裝置放絲，然后在300-5001的空氣爐中經過脫膠預處理，再在氮氣的保護下經過800-12001的鈍化處理，接著進入激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐進行石墨化處理，經過石墨化處理后的碳纖維再進行上漿等工藝就制成了石墨纖維。
[0006]本發明激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，主要包括可調功率激光發生器、激光頭、紅外測溫裝置、紅外測溫聯動控制裝置、非接觸式迷宮密封裝置、石英玻璃管和牽引裝置，石英玻璃管為石墨化爐的主體，石英玻璃管的兩端設置有非接觸式迷宮密封裝置，石英玻璃管的一端的非接觸式迷宮密封裝置的內側設置有進氣口和激光頭，激光頭與可調功率激光發生器相連，碳纖維位于石英玻璃管的軸芯，碳纖維從石英玻璃管的進絲口經由非接觸式迷宮密封裝置進入石英玻璃管內，碳纖維由牽引裝置在施加一定牽引力下以一定的速度移動，石英玻璃管的另一端的非接觸式迷宮密封裝置的內側設置有出氣口、紅外測溫裝置和碳纖維冷卻裝置，石英玻璃管內充滿高純度惰性氣體，位于石英玻璃管進絲口一端的可調功率激光發生器經由激光分配器產生多路激光，激光發射頭相對于石墨化爐的石英玻璃管軸芯軸對稱均勻布置，使得多路激光相對軸芯以相同角度照射在帶有鏡面的石英玻璃管加熱區內壁上產生多次反射并在軸芯處聚焦，從而對碳纖維進行快速加熱，牽弓丨裝置放置于石英玻璃管的出口的外側。
[0007]本發明激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，位于軸芯的碳纖維在多路激光聚焦照射下使其在短時間內達到25001以上石墨化工藝所需溫度，位于出絲口一側的紅外測溫裝置采集碳纖維加熱溫度并將信號傳給紅外測溫聯動裝置控制器，紅外測溫聯動裝置控制器做出判斷后通過控制器實時調節激光發生器的功率和碳纖維牽引速度使其溫度維持在25001以上石墨化工藝所需溫度。經過石墨化的碳纖維通過冷卻裝置部分后進入浸膠爐上漿，然后在烘干爐內進行烘干處理，最后由收絲機收取成品絲。
[0008]本發明激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，考慮安全性能的技術方案在具有鏡面石英玻璃管加熱區域末端裝有光散射裝置，該裝置成錐形，具有許多不同方向的褶皺紋理，這些紋理可以將能量已經被大量吸收的激光剩余能量分散吸收，避免在某點處能量集中。當紅外測溫裝置測得碳纖維加熱溫度低于或高于設定值且通過調節激光器功率和牽引速度仍無法恢復時將自動傳輸信號讓紅外測溫聯動裝置控制器關閉激光發生器和牽引裝置并發出報警信號，從而避免事故發生。
[0009]本發明激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，由于采用激光隧道反射法將能量集中到軸芯，能量利用率高，由于不需要將石英玻璃管內處處加熱到石墨化所需的溫度，激光發射頭相對于石墨化爐的軸芯軸對稱均勻布置，使得多路激光相對軸芯以相同角度照射在帶有鏡面的石英玻璃管加熱區內壁上產生多次反射并在軸芯處聚焦，從而對碳纖維進行快速加熱。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐的結構示意圖。
[0011]圖2是采用本發明一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐的石墨化工藝生產流程及設備組成示意圖。
[0012]圖中:1-可調功率激光發生器，2-激光頭，3-具有鏡面的石英玻璃管，4-碳纖維，
5-虛擬光路，6-光散射裝置，7-紅外測溫裝置，8-碳纖維冷卻裝置，9-非接觸式迷宮密封裝置，10-牽引裝置，11-紅外測溫聯動控制裝置控制器，12-帶阻尼的放絲機，13-脫膠爐，14-鈍化爐，15-激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，16-浸膠爐，17-烘干爐，18-收絲機，19-微機控制器，20-紅外測溫聯動裝置控制器，21-氣體流量計。

【具體實施方式】
[0013]圖2所示為采用本發明一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐的石墨化工藝生產流程圖，碳纖維4由牽引裝置10在施加一定牽引力下先通過帶阻尼的放絲機12放絲，然后進入到爐內溫度控制在300-5001的脫膠爐13中經過脫膠預處理，再在充滿氮氣的保護下爐內溫度控制在800-12001的鈍化爐14中做鈍化處理，接著進入本發明的一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐15中進行石墨化處理，經過石墨化處理后的碳纖維4再進入浸膠爐16中進行上漿處理，再由烘干爐17對碳纖維4進行烘干，最后由收絲機18收取成品的石墨纖維。在整個加工過程中由微機控制器19控制氣體流量計21、帶阻尼的放絲機12、收絲機18和紅外測溫聯動裝置控制器20，使得整個加工過程都能按要求進行。
[0014]本發明一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，如圖1所示，主要包括可調功率激光發生器1、激光頭2、具有鏡面的石英玻璃管3、光散射裝置6、紅外測溫裝置7、碳纖維冷卻裝置8、非接觸式迷宮密封裝置9、牽引裝置10和紅外測溫聯動控制裝置控制器11。由非接觸式迷宮密封裝置9在進出絲口處兩頭密封，在裝置內通有高純度惰性氣體氬氣。碳纖維4位于爐內軸芯位置，多個可調功率激光發生器1同時產生多路激光，激光的路徑如圖1的虛擬光路5所示，生成的多路激光由相對軸芯軸對稱均勻布置的激光頭2成相應角度射入加熱區域內，未被碳纖維4吸收的激光則穿過碳纖維再經由具有鏡面的石英玻璃管3反射到碳纖維4上，多路激光在軸芯處聚焦，處于軸芯位置的碳纖維4在激光的照射下快速升溫，到達石墨化工藝條件，最后未被完全吸收的部分殘余激光會被光散射裝置7散射吸收。
[0015]本發明一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，碳纖維4在石墨化過程中一直被牽引裝置10牽引移動，石墨化后的碳纖維經過測溫區時由紅外測溫裝置7測溫并將信號傳給紅外測溫聯動裝置控制器11從而控制可調功率激光發生器1的功率和牽引裝置10的牽引速度，以便維持石墨化工藝條件。處于高溫狀態的石墨纖維再經過冷卻裝置8冷卻經出絲口出去，整個石墨化過程完成，最后再經過上漿和烘干工藝的處理就得到成品的石墨纖維。
【權利要求】
1.一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，其特征在于:主要包括可調功率激光發生器、激光頭、紅外測溫裝置、紅外測溫聯動控制裝置、非接觸式迷宮密封裝置、石英玻璃管和牽引裝置，石英玻璃管為石墨化爐的主體，石英玻璃管的兩端設置有非接觸式迷宮密封裝置，石英玻璃管的一端的非接觸式迷宮密封裝置的內側設置有進氣口和激光頭，激光頭與可調功率激光發生器相連，碳纖維位于石英玻璃管的軸芯，碳纖維從石英玻璃管的進絲口經由非接觸式迷宮密封裝置進入石英玻璃管內，碳纖維由牽引裝置在施加一定牽弓I力下以一定的速度移動，石英玻璃管的另一端的非接觸式迷宮密封裝置的內側設置有出氣口、紅外測溫裝置和碳纖維冷卻裝置，石英玻璃管內充滿高純度惰性氣體，位于石英玻璃管進絲口一端的可調功率激光發生器經由激光分配器產生多路激光，激光發射頭相對于石墨化爐的石英玻璃管軸芯軸對稱均勻布置，使得多路激光相對軸芯以相同角度照射在帶有鏡面的石英玻璃管加熱區內壁上產生多次反射并在軸芯處聚焦，從而對碳纖維進行快速加熱，位于出絲口一側的紅外測溫裝置采集碳纖維加熱溫度并將信號傳給紅外測溫聯動裝置控制器，紅外測溫聯動裝置控制器做出判斷后通過控制器實時調節激光發生器的功率和碳纖維牽引速度使碳纖維溫度維持在石墨化工藝所需溫度，牽引裝置放置于石英玻璃管的出口的外側。
2.根據權利要求1所述的一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，其特征在于:惰性氣體為氬氣。
3.根據權利要求1所述的一種激光隧道反射法軸芯聚焦碳纖維石墨化爐，其特征在于:石英玻璃管加熱區域末端裝有光散射裝置，該裝置成錐形，具有許多不同方向的褶皺紋理。
【文檔編號】D01F9/12GK104294407SQ201410543384
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】楊衛民, 黎三洋, 閻華 , 丁玉梅 申請人:北京化工大學