沥青基碳纤维的碳化过程是将其前驱体（沥青纤维）通过高温热解转化为高碳含量、高结晶度纤维的关键步骤。以下是碳化过程的详细说明及其影响因素分析：
**碳化过程的详细步骤**
**1. 碳化的物理化学本质**
碳化过程的核心是通过高温热解（Pyrolysis）去除沥青纤维中的非碳元素（如H、O、N、S等），同时通过碳原子重排形成稳定的碳骨架结构。主要反应包括：
- **脱氢反应**：C-H键断裂，释放H₂。
- **脱氧反应**：含氧官能团（如羧基、羟基）分解为CO、CO₂。
- **芳构化**：脂肪链断裂，形成多环芳烃结构。
- **碳层堆叠**：无定形碳逐渐向乱层石墨结构（Turbostratic Carbon）转化。
2. 碳化工艺阶段
碳化通常在惰性气氛（氮气或氩气）中进行，分为两阶段：
(1) 低温碳化（800–1200℃）
- **目标**：去除大部分挥发分，初步形成碳网络。
- **过程**：
- 温度范围：800–1200℃，升温速率5–20℃/min。
- 纤维中残留的氧、氢等元素以气体（CO、CH₄、H₂O）形式逸出。
- 碳原子开始局部有序排列，形成无定形碳骨架。
(2) 高温碳化（1200–1500℃）
- **目标**：进一步提纯碳含量，促进石墨微晶生长。
- **过程**：
- 温度升至1500℃，保温时间约10–60分钟。
- 残余杂质（如硫、氮）被脱除，碳含量提升至>99%。
- 形成 **乱层石墨结构**：碳层平行堆叠但层间无序（类似石墨的二维有序，三维无序）。
3. 碳化过程中的结构演变
| **阶段** | **微观结构特征** | **碳含量** | **性能变化** |
| 前驱体纤维 | 无序分子链，含大量杂原子 | ~85% | 低强度，易熔融 |
| 低温碳化后 | 无定形碳+少量微晶 | ~95% | 强度提升，脆性降低 |
| 高温碳化后 | 乱层石墨结构（微晶尺寸~2–5 nm） | >99% | 高模量（200–500 GPa），导电性增强 |
**影响碳化过程的关键因素
1. 前驱体性质
- 沥青类型：
各向同性沥青：分子无序，碳化后纤维模量低（<200 GPa），适合通用级碳纤维。
中间相沥青：液晶态分子高度取向，碳化后易形成高取向石墨微晶，模量可达500–900 GPa。
- 纺丝工艺：熔融纺丝形成的纤维直径和取向度直接影响碳化效率。
2. 温度控制
- 升温速率：
过快（>30℃/min）：挥发分剧烈释放导致纤维开裂。
-过慢（<5℃/min）：生产效率低，可能引发过度石墨化（降低强度）。
- 最高温度：
1200℃以下：主要生成无定形碳，强度高但模量低。
1500℃以上：微晶尺寸增大，模量提升但强度下降（缺陷增多）。
3. 气氛条件
- 惰性气体纯度：氧气残留（>10 ppm）会导致表面氧化，形成孔洞。
- 气体流速：需保持稳定气流带走反应气体，防止副产物沉积在纤维表面。
4. 纤维微观结构
- 直径均匀性：直径不均会导致局部热应力集中，产生裂纹。
- 预氧化程度：预氧化形成的交联结构决定碳化时分子重排的阻力。
5. 压力环境
- 常压碳化：成本低，但纤维致密性较差。
- 高压碳化（如10–50 MPa）：可抑制挥发分逸出速度，提升碳收率（>85% vs 常压~70%）。
### 碳化缺陷与对策
| 缺陷类型 | 成因 | 解决方案
| 表面裂纹 | 升温过快或气体释放不均 | 梯度升温（分段控温） |
| 内部孔洞 | 挥发分滞留或杂质残留 | 优化前驱体纯化工艺 |
| 纤维弯曲 | 温度场不均匀 | 改进炉体设计（如采用石墨发热体） |
| 强度离散性大 | 微晶尺寸分布宽 | 引入张力牵伸（控制分子取向） |
### 碳化工艺优化趋势
1. 微波辅助碳化：利用微波加热实现快速均匀升温，节能30%以上。
2. 等离子体碳化：在低温下（<1000℃）通过高能粒子撞击促进碳结构有序化。
3. 前驱体改性：添加纳米催化剂（如Fe、Ni纳米颗粒）引导石墨微晶定向生长。
总结
碳化过程是沥青基碳纤维性能的决定性环节，其核心在于 **温度-时间-气氛协同控制。通过精确调控前驱体性质、升温程序及反应环境，可实现碳纤维从乱层结构到高度石墨化的定制化设计，满足航空航天、新能源汽车等领域对高模量、高导热碳纤维的需求。
