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表1给出了国表里学者提议的多种碳纤维石墨化技巧，已结尾产业化并被广泛采取的是高温管式电阻直接加热和电磁感想直接加热石墨化技巧，它们都属于石墨体直接加热技巧。
如图1所示，在这两种石墨化加热方法中，碳纤维从石墨管中心穿过，在石墨管两头施加直流电也许通过电磁感想使石墨管孕育直流电，当电流通过石墨发烧体时石墨发烧体做为电阻被加热，热气流在石墨发烧体和碳纤维之间通过热传达的情势结尾对碳纤维的直接加热。石墨化炉炉体温度需高于碳纤维温度，传热通过迟钝，大部份能量被疏散掉，热效率低，耗能大，影响于碳纤维的温度难以管束并且对腔体材料请求高；发烧体历久处于高温形态，易受残氧的腐蚀，寿命短且烧坏后弗成修理。同时，受发烧体耐高温材料的束缚，石墨发烧体在℃即发端升华，无奈历久褂讪在℃以上的超高温，碳纤维的热管教温度受限，影响了碳纤维石墨化通过中组织的择优演化。
1.2碳纤维石墨化新法子
1.2.1激光超高温加热石墨化技巧
北京化工大学谭晶等研发了一种碳纤维超高温石墨化激光地道炉，如图2所示。该征战由收、放卷安设、石墨化炉体、激光加热系统、密封安设等构成。石墨化通过是在氩气维护下，碳纤维通过领导穿过石墨化炉，收、放卷安设管束碳纤维丝束的释放、卷绕汇集及管束走丝速度，激光直接晖映到碳纤维上，激光与碳纤维彼此影响结尾能量传输，将吸取的光能变化成热能结尾碳纤维温度的抬高，从而结尾碳纤维石墨化通过。
该安设采取激光晖映碳纤维停止辐射加热，其能量绝大部份被碳纤维吸取，可结尾℃以上的超高温历久褂讪加热；激光影响于碳纤维温升梯度大，刹那的温升及热传导使碳纤维丝束集体受热，石墨化效率高；该石墨化工艺无需对通盘炉腔加热，对炉体结媾和炉体材料的计划请求低，制孕育本低；同时激光的空间管束性和功夫管束性强，激光束易于导向和聚焦，通过对激光器加热系统进路途序管束其光斑形态、光斑尺寸和能量散布停止转换，从而动弹加热区温度场散布，使碳纤维也许在适宜的温度场下高效地结尾石墨化通过，结尾高温石墨化的可控性制备。
杨卫民等采取CO2激光器对PAN基碳纤维停止辐射加热，钻研了其石墨化通过。在功率为63W的激光束辐射下，石墨化度由1.减小为0.，石墨化微晶层间距由0.nm减小为0.nm，挨近志向石墨晶体的层间距0.nm，证明PAN基碳纤维结尾了由乱层石墨组织到石墨微晶的规整组织动弹。在扫描电镜表征中检察到激光辐射后的碳纤维表面更为毛糙，碳纤维在石墨化通过中由于刹那的温升及非碳原子的溢出孕育渺小的碎片剥落，尽管关于石墨化后的碳纤维强度孕育确定程度的削弱，不过确定的表面毛糙度有益于升高纤维与树脂的联合强度，现有石墨化炉制备的石墨纤维由于表面平滑及缺乏活性官能团的起因存在与树脂联合性差的毛病，激光超高温石墨化技巧希望为碳纤维复合材料制备供给一种矫正计划。
1.2.2碳纤维本身生热石墨化法子
松田至康提议了一种碳纤维连结石墨化炉，如图3所示，在预加热区采取电阻丝加热，对碳纤维预加热到℃左右，尔后碳纤维投入通电加热区，通过一双通电辊对碳纤维施加电流使其本身发烧结尾石墨化通过。
该安设对碳纤维施加电流使其本身生热，比拟于旧例石墨管直接加热法低沉了功耗，且征战组织浅显，通电电流也许高效管束，通过确定的工艺调试，也许将碳化和石墨化工艺一体化停止，即预加热区停止碳化工艺，通电加热区停止超高温石墨化工艺，升高石墨纤维的临盆效率和品质。
2碳纤维石墨化工艺
2.1温度对碳纤维石墨化的影响
温度是影响碳纤维石墨化的首要成分，沈曾民等钻研了石墨化温度对高模量PAN基碳纤维宏观组织的影响，跟着石墨化温度的抬高，其石墨化程度慢慢增大，石墨微晶尺寸增大，石墨微晶组织趋于完好，罗列更为规整，结晶度升高。王浩静等得出了PAN基碳纤维在石墨化通过中随温度的升高，非碳元素含量慢慢削减，石墨微晶的择优取向性添加，拉伸强度呈下落趋势，模量呈激昂趋势。石墨化通过中纤维组织孕育微孔等毛病，对其力学本能孕育不同程度的影响，怎样管束石墨化通过中温升使得碳纤维拉伸强度低沉的幅度减小非常关键。
℃是碳纤维石墨化的敏锐温度，在这一温度下碳纤维基础结尾脱氮通过，各项微晶组织参数产生显著动弹。张永刚等采取克己的高强中模碳纤维在不同温度下停止了石墨化管教，离别钻研了~℃低温石墨化和℃高温石墨化。在低温石墨化通过中，碳纤维的拉伸强度先是显露下落趋势，℃发端又显然抬高，或者是由于高温前提下纤维产生应力松驰，纤维内部毛病削减，强度晋升；跟着石墨化温度的晋升，石墨微晶尺寸增大，在确定的热牵伸影响下，石墨微晶的蠕变做为会消除内部乱层间的应力，增进纤维沿纤维轴择优取向，因此拉伸模量线性增大。
不同温度场下，碳纤维吸取热量的情景不同，影响宏观组织的演化历程，终究会致使石墨化程度及纤维本能有确定不同。徐樑华等钻研了梯度升柔和一步升温法关于PAN基碳纤维元素含量及宏观组织的影响，发掘两种温度场下制备的石墨纤维的元素构成不同较小，而一步升温法比拟于梯度升温法，纤维吸取的灵验能量更高，因此碳原子的活性巩固，这有益于碳原子重组及石墨片层重排，纤维取向度更高，石墨微晶排布规整，石墨化程度较高。
刘福杰等钻研了分步热管教对石墨纤维宏观组织及本能的影响，在雷同的牵伸率下离别对碳纤维停止分步热管教及一步热管教抵达雷同的温度，发掘分步热管教有益于石墨纤维拉伸强度及体密度的晋升，不过关于模量的影响较小，纤维内部石墨化程度较高，集体石墨化均质性较好，因此分步热管教有益于升高纤维的精细性及均质性，保证模量升高的同时纤维的拉伸强度亦升高，关于制备高强高模子石墨纤维有很大的提拔意义。
2.2热管教功夫对碳纤维石墨化的影响
碳纤维石墨化的功夫管束是通过调治走丝速度结尾的，石墨化功夫寻常在数十秒内便可结尾有序的三维石墨晶体组织演化，钻研热管教功夫旨在把握石墨化历程，在保证石墨纤维品质的同时只管缩小热管教功夫，以裁减动力耗损。
韩赞钻研了石墨化功夫对PAN基碳纤维宏观组织参数及力学本能的影响，以T为材料，在℃热管教温度及恒定牵伸率（2.5%）前提下离别停止了功夫30~55s的系列石墨化管教，对试样的宏观组织及力学本能停止了表征，发掘不同石墨化功夫下试样的宏观组织参数整体动弹很小，跟着石墨化功夫的伸长，微晶尺寸、纤维取向度、石墨化程度等先稍微增大后趋于稳固，强度稍微低沉后趋于褂讪，模量先增大后趋于褂讪。Greene等钻研了短功夫石墨化管教对沥青基碳纤维本能的影响，在0.7s的石墨化功夫下，碳纤维产生了显然的精细化致使体密度增大，石墨化程度抵达50%，导电性及导热性晋升显著。
2.3牵伸力对碳纤维石墨化的影响
碳材料寻常在℃以上的高温前提下产生蠕变形势。PAN纤维是由线型分子构成的，通过~℃碳化后的纤维内部存在大批彼此交叉和皱褶的石墨微晶条带，这些微晶条带在高温石墨化热牵伸形态下产生蠕变，也许消除和迁徙微纤之间的交联，从而使得石墨微晶条带解皱妥协缠，并在纤维的牵伸方位上孕育对纤维轴向的择优取向，使得纤维的力学本能晋升。
靳玉伟等钻研了牵伸对石墨纤维结媾和力学本能的影响，以国产PAN基碳纤维为原材料，在确定的热管教温度下，以不同的牵伸力停止石墨化管教，发掘跟着牵伸力的增大，纤维的取向度显著晋升，使纤维组织由无序趋势于有序，增进闲隙分散、弥合，晶格罗列更为完好，在合适的温度下采取确定的牵伸力也许革新碳纤维的宏观组织，升高拉伸强度和模量。杨卫民等钻研了激光石墨通过中牵伸力对PAN基碳纤维的化学结媾和宏观组织的影响，发掘在激光功率确定的前提下，合适添加牵伸力可在确定程度上升高纤维的石墨化程度，增进纤维沿轴向择优取向，革新微晶尺寸及罗列的规整性，不过激光石墨化通过中牵伸力对纤维的力学本能的影响尚有待进一步探明。
在石墨化通过中，施加确定的牵伸力孕育繁杂的热固流耦合场，纤维组织的演化规律非常繁杂，也许按照理论的工艺前提及纤维的微晶参数、本能等设立关连数学物理模子，从而优化调换工艺参数，使得制备的石墨纤维的本能抵达最优。
2.4γ射线辐射对碳纤维力学本能的影响
天津产业大学运用γ射线对碳纤维停止辐射结尾了石墨化通过，室温下采取60Co元素引发的γ射线辐射碳纤维，采取X射线衍射表征了γ射线辐射后的碳纤维内部石墨微晶片层的层间距，与辐射以前碳纤维试样比拟石墨微晶层间距显然减小，指出γ射线的康普顿效应及热效应是碳纤维石墨化的反响机理。
东华大学采取γ射线管教碳纤维，钻研了辐射对其力学本能的影响，跟着辐射量的增大，碳纤维的拉伸强度先抬高后下落，而拉伸模量抬高，通过扫描电镜表征其表面描写，其表面毛糙度跟着辐射量的增大而增大。当辐射量低于30kGy时，碳纤维内部组织的交联据有主宰名望使拉伸强度晋升，当辐射量超越30kGy时，碳纤维表面发端孕育毛病使拉伸强度低沉。
γ射线做为一种高能物资，与碳纤维的彼此影响增进石墨化历程，在通盘把握影响机理下采取适宜的辐射工艺前提，碳纤维石墨化后的力学本能也许抵达确定的程度，其余γ射线辐射后的碳纤维的导电性亦值得进一步探求。
2.5催化剂对碳纤维石墨化的增进影响
在现有的催化剂中，惟有硼原子也许与碳原子联合孕育固溶体。硼引入碳纤维的法子有直接引入法、液体浸渍法、PAN共聚改性法平和相堆积法等。大批钻研说明硼原子对碳纤维石墨化通过有很强的增进影响，低沉了纤维热膨胀系数，升高了其抗氧化本能。由于碳纤维石墨微晶组织非常繁杂，硼原子的催化影响对纤维力学本能影响起因还未探明。
王慧奇等采取直接法将硼引入到碳纤维中，钻研了硼元素含量对碳纤维力学本能的影响，跟着硼元素含量的加多，石墨化后碳纤维的拉伸强度增大，增大到确定命值后发端减小，但是拉伸模量不停呈增大趋势，如图4所示。因此正当地管束碳纤维的硼元素含量，也许在拉伸强度增大的同时使拉伸模量有较大的升高。
徐世海等采取阳极氧化后的PAN基碳纤维直接浸入平匀散开的Mo-B溶胶中，赢得Mo-B涂覆的碳纤维，在氦气氛围中℃温度下加热2h，赢得的石墨纤维的石墨微晶层间距d为0.8nm，石墨微晶厚度为28nm，石墨微晶层数高达83层，证明了在Mo、B的催化影响下结尾了高度石墨化，并且温度比旧例的石墨化温度低。该催化石墨化通过按照“熔解-再析出”置换型固溶机理，硼原子与碳原子的尺寸相当，硼原子通过置换碳原子来填补石墨片层的空隙，因此石墨微晶罗列更为规整，使碳纤维表面裂纹消除，内部组织毛病得以补救。
Bryan等采取聚乙烯为前体熔融纺丝制备碳纤维原丝，在20%的发烟硫酸中加热产生磺化反响赢得高温不熔的褂讪性，再将纤维浸入硼酸溶液中，经事后续加热，在℃结尾了石墨化，获患了拉伸模量超越GPa的石墨纤维，通过广角XRD衍射停止表征，在硼的催化影响下初始石墨化温度低沉了℃，聚乙烯纤维的制孕育本低，临盆效率高，此钻研关于低成本、高效率、高品质的石墨纤维制备钻研斥地了一条新道路。
旷亚非等钻研了电堆积Fe-P镀层关于石墨化通过中的催化影响，在Fe-P合金的催化影响下PAN基碳纤维在℃结尾了石墨化，该催化石墨化工艺具备节能高效的特色，在碳材料低温石墨化畛域具备非常广漠的运用前程。
3组织与本能的关联
宏观组织是影响碳纤维力学本能的关键成分，在石墨化通过中，跟着非碳原子的脱除溢出，无序组织部份削减并慢慢向有序组织动弹，石墨片层规整性升高的同时，散布不均的宏观孔洞及纤维表面毛病孕育，对宏观的拉伸强度及模量孕育不同程度的影响，并且不同前体的碳纤维在石墨化通过中的组织演化规律百般，致使制备的石墨纤维力学本能存在较大不同。
吕春祥等基于“弹性解皱”模子合格里菲斯微裂纹理论商议了石墨纤维组织与本能的关联，石墨微晶的重结晶通过动弹了碳素晶格的剪切柔度，石墨纤维弹性解皱通过并不显然，因此在施加外力处于拉伸形态下应力松驰通过相较于未石墨化纤维并不显著，如图5、图6所示，这或者关于石墨纤维强度的晋升孕育不利影响。
按照石墨纤维表面分形特点提议了一种改正法子，设立了关连数学物理模子，发掘碳纤维的拉伸强度与微孔参数之间的关联适合格里菲斯方程，详细的影响拉伸强度的成分尚有待进一步切磋。
徐坚等对模量相近的国产高模子石墨纤维及高强高模子石墨纤维的宏观组织停止了比较钻研，发掘高模子石墨纤维微晶间裂纹和闲隙组织较大，致使其强度较低，而高强高模子石墨纤维具备多条理的宏观结媾和微孔、裂纹等毛病，有更多的应力分散、能量储备及耗散途径，是其拉伸强度和应变维持的关键住址。
关于PAN基碳纤维，石墨化通过中不停脱除氮原子会对纤维孕育不同程度毛病，拉伸模量的升高因此阵亡其拉伸强度为价格的，严峻限制了PAN基碳纤维向高强高模本能动弹，孕育拉伸强度和拉伸模量的般配性较差。边文凤等钻研了PAN基碳纤维石墨微晶组织对拉伸本能的影响，拉伸强度既与微晶关连，也与非晶碳关连，两者所担当的拉伸载荷不同，高强高模子石墨纤维的拉伸强度跟着非晶碳的减小而减小，而微晶尺寸的增大对纤维强度的低沉起决议影响。
采取Mori-Tanaka法子设立了碳纤维二相细观力学模子，对PAN基高模量碳纤维停止了细观力学理论剖析，发掘影响纤维模量晋升的首要成分有石墨微晶取向度、体积分数和长细比，只思索个中一种影响成分，维持其余成分稳固，赢得的关联弧线如图7所示，个中石墨微晶取向度和体积分数关于纤维模量的影响要高于石墨微晶长细比对纤维模量的影响，惟有微晶取向度在挨近%时，微晶长细比对纤维模量的影响才或者会超越微晶取向度对纤维模量的影响。
秦显营等钻研了PAN基碳纤维和中心相沥青基碳纤维在高温石墨化通过中的宏观结媾和力学本能的不同。以T和克己中心相沥青基碳纤维为材料停止了不同温度下的高温石墨化管教，钻研了PAN基碳纤维和沥青基碳纤维在石墨化先后宏观组织的不同及宏观结媾和宏观本能的演化通过，如图8所示。
跟着石墨化温度的抬高，PAN基及沥青基碳纤维的模量抬高是由于石墨微晶的成长及择优取向的停止，PAN基碳纤维的拉伸强度跟着石墨化温度的抬高而下落是由于石墨片层间交联的共价键孕育较高的剪切应力，微孔毛病是由于非碳原子的溢出、晶粒的歪曲、错位等孕育的。关于沥青基碳纤维，其拉伸强度跟着石墨化温度的抬高而升高，由于石墨片层之间的平面应力与石墨微晶尺寸增大，石墨微晶的择优取向慢慢巩固，微孔数目削减。其余，少量的石墨微晶毛病是由于高温管教通过中物理缠结和化学交联被摧残而孕育的。
通过PAN基碳纤维与沥青基碳纤维的石墨化通过比较，发掘了PAN基碳纤维经太高温石墨化后拉伸强度下落的组织毛病起因，怎样防止毛病的孕育值得进一步去探求。
4分子程度的理论剖析
频年来，顶端技巧的迅猛先进对材料的本能提议更高的请求，数见不鲜的新式材料极地面促使了科技的先进。不过材料的试制仍是更多的凭仗阅历，通过“千挑万选”制备出适宜的材料，尽管行之灵验，不过阅历常常带有主观的盲目性，对材料的分子层面的把握还不甚熟悉，在碳纤维材料研发方面亦这样，惟有从分子层面把握碳纤维的组织演化规律才略以最低的成本建立出本能高的碳纤维。
历久以来，中外学者关于碳纤维的宏观组织及宏观本能停止了深入通盘的摸索，不过在分子、原子程度上对碳纤维的理论架构尚处于起步阶段。分子动力学（moleculardynamics）模仿是频年来先进快捷的一种从分子标准上暴露物资构成、结媾和性质的科学法子，在生物大分子、高分子材料和纳米材料等模仿钻研方面获患了宽泛的运用。
Nitant等采取分子动力学模仿，对PAN基碳纤维的高温碳化通过中分子的组织毛病停止了深入剖析，指出在高温热解通过中弗成防止地孕育拓扑毛病，层状类石墨组织的演化通过中伴有着“D型环”的孕育，如图9所示，模仿计较赢得的碳纤维拉伸强度仅为理论值的1/4。
碳化通过中当然孕育的分子组织毛病在超高温石墨化通过中没有赢得革新，因此其强度未能进一步升高，反而会由于毛病的扩展使其强度下落，因此务必在毛病孕育的初始时候防止其孕育，碳纤维碳化及石墨化后力学本能才略进一步晋升从而趋势于理论值。暂时分子模仿在碳纤维材料钻研方面只触及原丝制备、预氧化和碳化工艺，在石墨化方面尚未停止分子模仿，亟待对不同组织条理的碳纤维在分子程度上模仿石墨化工艺通过华夏子的动力学形态从宏观本能孕育的本原处罚析起因，尔后“对症下药”，这样会灵验束缚强度和模量远不及理论值的困难。
5论断与预测
跟着先进建立技巧的先进，在碳纤维石墨化技巧方面浮现出一些新法子，希望结尾石墨化热管教的低成本、低能耗和高效率，战胜保守石墨化征战超高温晋升的控制性。在石墨化工艺方面，温度场的散布对纤维组织的择优演化非常首要，探求石墨化的最好功夫也许在保证石墨纤维品质的前提下灵验低沉动力耗损，催化石墨化的提议关于革新碳纤维力学本能起到极大的推做为用。
在宏观组织剖析方面，探求组织的演化规律从而把握影响宏观本能的成分，不过宏观本能的泉源尚未停止深条理剖析，频年来，分子动力学模仿法子慢慢在材料剖析中宽泛运用，惟有从分子层面去把握石墨化反响历程，深条理剖析热管教工艺下原子的动力学规律关于碳纤维石墨化技巧的先进具备深刻意义。
滥觞：化工先进亲，点击下方的“浏览原文”，急忙报名参与会议！
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