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1、(10)申请公布号 CN 104294407 A (43)申请公布日 2015.01.21 CN 104294407 A (21)申请号 201410543384.1 (22)申请日 2014.10.15 D01F 9/12(2006.01) D01F 11/16(2006.01) (71)申请人 北京化工大学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路 15 号 (72)发明人 杨卫民 黎三洋 阎华 丁玉梅 (54) 发明名称 一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化 炉 (57) 摘要 本发明公开一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳 纤维石墨化炉， 主要包括可调功率激光发生器、 红 外测温联动控制装。
2、置、 非接触式迷宫密封装置、 石 英玻璃管、 光散射装置和牵引装置， 碳纤维位于石 英玻璃管的轴芯， 碳纤维从石英玻璃管的进丝口 经由非接触式迷宫密封装置进入石英玻璃管内， 碳纤维由牵引装置在施加一定牵引力下以一定的 速度移动， 炉内充满高纯度惰性气体， 本发明位于 石英玻璃管进丝口一端的可调功率激光发生器经 由激光分配器产生多路激光， 激光发射头相对于 石墨化炉的石英玻璃管轴芯轴对称均匀布置， 使 得多路激光相对轴芯以相同角度照射在带有镜面 的石英玻璃管加热区内壁上产生多次反射并在轴 芯处聚焦， 从而对碳纤维进行快速加热， 能量利用 率高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书。
3、 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104294407 A CN 104294407 A 1/1 页 2 1. 一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 其特征在于 ： 主要包括可调功率激 光发生器、 激光头、 红外测温装置、 红外测温联动控制装置、 非接触式迷宫密封装置、 石英玻 璃管和牵引装置， 石英玻璃管为石墨化炉的主体， 石英玻璃管的两端设置有非接触式迷宫 密封装置， 石英玻璃管的一端的非接触式迷宫密封装置的内侧设置有进气口和激光头， 激 光头与可调功率激光发生器相连， 碳。
4、纤维位于石英玻璃管的轴芯， 碳纤维从石英玻璃管的 进丝口经由非接触式迷宫密封装置进入石英玻璃管内， 碳纤维由牵引装置在施加一定牵引 力下以一定的速度移动， 石英玻璃管的另一端的非接触式迷宫密封装置的内侧设置有出气 口、 红外测温装置和碳纤维冷却装置， 石英玻璃管内充满高纯度惰性气体， 位于石英玻璃管 进丝口一端的可调功率激光发生器经由激光分配器产生多路激光， 激光发射头相对于石墨 化炉的石英玻璃管轴芯轴对称均匀布置， 使得多路激光相对轴芯以相同角度照射在带有镜 面的石英玻璃管加热区内壁上产生多次反射并在轴芯处聚焦， 从而对碳纤维进行快速加 热， 位于出丝口一侧的红外测温装置采集碳纤维加热温度并。
5、将信号传给红外测温联动装置 控制器， 红外测温联动装置控制器做出判断后通过控制器实时调节激光发生器的功率和碳 纤维牵引速度使碳纤维温度维持在石墨化工艺所需温度， 牵引装置放置于石英玻璃管的出 口的外侧。 2. 根据权利要求 1 所述的一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 其特征在 于 ： 惰性气体为氩气。 3. 根据权利要求 1 所述的一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 其特征在 于 ： 石英玻璃管加热区域末端装有光散射装置， 该装置成锥形， 具有许多不同方向的褶皱纹 理。 权 利 要 求 书 CN 104294407 A 2 1/3 页 3 一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨。
6、化炉 技术领域 0001 本发明涉及一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 属于碳纤维石墨化加 工制造领域。 背景技术 0002 石墨纤维是由碳纤维在惰性气体的保护下于 2000-3000进行石墨化而制得的。 在石墨化过程中， 碳纤维能进一步脱除 5左右的非碳元素， 同时碳原子进行类石墨结构的 排列， 在微观上由二维层石墨结构向三维有序结构转变， 晶体尺寸增大， 取向度增加， 从而 使得碳纤维的模量提高。影响碳纤维石墨化的关键因素是石墨化设备和高温热处理技术。 0003 目前， 在国内外工业上普遍采用碳纤维石墨化设备多为高温管式石墨化电阻炉， 其缺点是耗电量大， 而且发热体寿命短， 从而导。
7、致成本高， 另外， 工业上还有采用感应石墨 化炉， 利用感应原理对碳纤维进行高温石墨化处理， 此法一般通过间接加热石墨发热体 ( 炉管或坩埚 )， 碳纤维在坩埚内或从石墨管内穿过而被间接加热， 其缺点在于对设备结构 和材料要求高、 热能损失大。中国专利 CN1399017 公开了一种碳纤维石墨化新工艺及装置， 该装置解决了部分传统石墨化炉的缺点， 但是存在高温下气体电离造成无法保持高温， 及 耦合腔在高温下氧化损坏快等技术障碍。 发明内容 0004 本发明的目的在于提出一种低能耗、 低成本、 对设备的结构和材料要求低， 同时实 现快速加热石墨化且便于连续性生产的装置和方法。 0005 实现上述。
8、目的技术方案是 ： 将传统高温石墨化工艺中的石墨化炉改进为本发明中 一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉。 碳纤维由牵引装置在施加一定牵引力下先 通过带阻尼的放丝装置放丝， 然后在 300-500的空气炉中经过脱胶预处理， 再在氮气的保 护下经过 800-1200的钝化处理， 接着进入激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉进行 石墨化处理， 经过石墨化处理后的碳纤维再进行上浆等工艺就制成了石墨纤维。 0006 本发明激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 主要包括可调功率激光发生 器、 激光头、 红外测温装置、 红外测温联动控制装置、 非接触式迷宫密封装置、 石英玻璃管和 牵引装置， 石英玻。
9、璃管为石墨化炉的主体， 石英玻璃管的两端设置有非接触式迷宫密封装 置， 石英玻璃管的一端的非接触式迷宫密封装置的内侧设置有进气口和激光头， 激光头与 可调功率激光发生器相连， 碳纤维位于石英玻璃管的轴芯， 碳纤维从石英玻璃管的进丝口 经由非接触式迷宫密封装置进入石英玻璃管内， 碳纤维由牵引装置在施加一定牵引力下以 一定的速度移动， 石英玻璃管的另一端的非接触式迷宫密封装置的内侧设置有出气口、 红 外测温装置和碳纤维冷却装置， 石英玻璃管内充满高纯度惰性气体， 位于石英玻璃管进丝 口一端的可调功率激光发生器经由激光分配器产生多路激光， 激光发射头相对于石墨化炉 的石英玻璃管轴芯轴对称均匀布置， 。
10、使得多路激光相对轴芯以相同角度照射在带有镜面的 石英玻璃管加热区内壁上产生多次反射并在轴芯处聚焦， 从而对碳纤维进行快速加热， 牵 说 明 书 CN 104294407 A 3 2/3 页 4 引装置放置于石英玻璃管的出口的外侧。 0007 本发明激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 位于轴芯的碳纤维在多路激光 聚焦照射下使其在短时间内达到 2500以上石墨化工艺所需温度， 位于出丝口一侧的红外 测温装置采集碳纤维加热温度并将信号传给红外测温联动装置控制器， 红外测温联动装置 控制器做出判断后通过控制器实时调节激光发生器的功率和碳纤维牵引速度使其温度维 持在2500以上石墨化工艺所需温度。 。
11、经过石墨化的碳纤维通过冷却装置部分后进入浸胶 炉上浆， 然后在烘干炉内进行烘干处理， 最后由收丝机收取成品丝。 0008 本发明激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 考虑安全性能的技术方案在具 有镜面石英玻璃管加热区域末端装有光散射装置， 该装置成锥形， 具有许多不同方向的褶 皱纹理， 这些纹理可以将能量已经被大量吸收的激光剩余能量分散吸收， 避免在某点处能 量集中。 当红外测温装置测得碳纤维加热温度低于或高于设定值且通过调节激光器功率和 牵引速度仍无法恢复时将自动传输信号让红外测温联动装置控制器关闭激光发生器和牵 引装置并发出报警信号， 从而避免事故发生。 0009 本发明激光隧道反射法轴。
12、芯聚焦碳纤维石墨化炉， 由于采用激光隧道反射法将能 量集中到轴芯， 能量利用率高， 由于不需要将石英玻璃管内处处加热到石墨化所需的温度， 激光发射头相对于石墨化炉的轴芯轴对称均匀布置， 使得多路激光相对轴芯以相同角度照 射在带有镜面的石英玻璃管加热区内壁上产生多次反射并在轴芯处聚焦， 从而对碳纤维进 行快速加热。 附图说明 0010 图 1 是本发明一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉的结构示意图。 0011 图 2 是采用本发明一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉的石墨化工艺 生产流程及设备组成示意图。 0012 图中 ： 1- 可调功率激光发生器， 2- 激光头， 3- 具有镜面的。
13、石英玻璃管， 4- 碳纤维， 5- 虚拟光路， 6- 光散射装置， 7- 红外测温装置， 8- 碳纤维冷却装置， 9- 非接触式迷宫密封 装置， 10- 牵引装置， 11- 红外测温联动控制装置控制器， 12- 带阻尼的放丝机， 13- 脱胶炉， 14- 钝化炉， 15- 激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 16- 浸胶炉， 17- 烘干炉， 18- 收 丝机， 19- 微机控制器， 20- 红外测温联动装置控制器， 21- 气体流量计。 具体实施方式 0013 图 2 所示为采用本发明一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉的石墨化 工艺生产流程图， 碳纤维 4 由牵引装置 10 在施加。
14、一定牵引力下先通过带阻尼的放丝机 12 放丝， 然后进入到炉内温度控制在 300-500的脱胶炉 13 中经过脱胶预处理， 再在充满氮 气的保护下炉内温度控制在 800-1200的钝化炉 14 中做钝化处理， 接着进入本发明的一 种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉 15 中进行石墨化处理， 经过石墨化处理后的 碳纤维 4 再进入浸胶炉 16 中进行上浆处理， 再由烘干炉 17 对碳纤维 4 进行烘干， 最后由收 丝机 18 收取成品的石墨纤维。在整个加工过程中由微机控制器 19 控制气体流量计 21、 带 阻尼的放丝机12、 收丝机18和红外测温联动装置控制器20， 使得整个加工过程都能按。
15、要求 进行。 说 明 书 CN 104294407 A 4 3/3 页 5 0014 本发明一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 如图 1 所示， 主要包括可 调功率激光发生器 1、 激光头 2、 具有镜面的石英玻璃管 3、 光散射装置 6、 红外测温装置 7、 碳纤维冷却装置 8、 非接触式迷宫密封装置 9、 牵引装置 10 和红外测温联动控制装置控制 器 11。由非接触式迷宫密封装置 9 在进出丝口处两头密封， 在装置内通有高纯度惰性气体 氩气。碳纤维 4 位于炉内轴芯位置， 多个可调功率激光发生器 1 同时产生多路激光， 激光的 路径如图 1 的虚拟光路 5 所示， 生成的多路激光。
16、由相对轴芯轴对称均匀布置的激光头 2 成 相应角度射入加热区域内， 未被碳纤维 4 吸收的激光则穿过碳纤维再经由具有镜面的石英 玻璃管 3 反射到碳纤维 4 上， 多路激光在轴芯处聚焦， 处于轴芯位置的碳纤维 4 在激光的照 射下快速升温， 到达石墨化工艺条件， 最后未被完全吸收的部分残余激光会被光散射装置 7 散射吸收。 0015 本发明一种激光隧道反射法轴芯聚焦碳纤维石墨化炉， 碳纤维 4 在石墨化过程中 一直被牵引装置10牵引移动， 石墨化后的碳纤维经过测温区时由红外测温装置7测温并将 信号传给红外测温联动装置控制器 11 从而控制可调功率激光发生器 1 的功率和牵引装置 10 的牵引速度， 以便维持石墨化工艺条件。处于高温状态的石墨纤维再经过冷却装置 8 冷 却经出丝口出去， 整个石墨化过程完成， 最后再经过上浆和烘干工艺的处理就得到成品的 石墨纤维。 说 明 书 CN 104294407 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104294407 A 6 。