碳纖維預制體低溫碳化：箱式真空氣氛爐多段氣氛切換技術

更新時間：2025-10-13

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摘要

碳纖維預制體的低溫碳化是決定最終產品性能的關鍵環節。箱式真空氣氛爐通過多段氣氛切換技術，在碳化各階段精準切換真空、惰性及反應性氣氛，有效促進非碳元素脫除，抑制纖維損傷，提升碳化效率與產物質量一致性，為高性能碳基復合材料奠定基礎。

一、工藝核心：低溫碳化的挑戰與氣氛作用

揮發性副產物的排除：前驅體纖維在加熱中釋放氫、氧、氮等元素，形成H?O、HCN、焦油等小分子。若未能及時排出，易造成孔隙、缺陷甚至纖維粘連，損害力學性能。

纖維結構的可控轉化：此階段的目標是形成初步的亂層石墨結構，同時要最大限度地維持纖維的軸向取向，并避免因劇烈反應導致的纖維起泡、皮芯結構等問題的產生。整個過程需要在精確的速率控制下進行，任何失控都可能導致整批產品的性能劣化。

二、技術載體：箱式真空氣氛爐的系統優勢

1. 密閉均溫腔體：箱式真空氣氛爐高性能隔熱與精密加熱系統確保爐膛溫度均勻，是實現批次一致性的基礎。

2. 集成化氣路系統：多路高純氣源、質量流量控制器及壓力傳感器實現氣體流速與壓力的精確控制。

3. 真空與氣氛置換能力：箱式真空氣氛爐快速抽真空可在階段轉換時“清洗"爐膛，精確切換至所需氣氛狀態。

真空氣氛爐.jpg

三、決勝之道：多段氣氛切換的精細化策略

多段氣氛切換技術的精髓在于“因時制宜"，針對碳化不同階段的主要矛盾，提供最適宜的氣相環境。一個典型的策略流程如下：

第一階段：初始升溫與真空脫氣

在低溫碳化的初始升溫階段，前驅體開始軟化并釋放出大量的小分子和焦油狀物質。

此時采用真空或低流速惰性氣體吹掃策略。真空環境能有效降低這些小分子產物的分壓，使其沸點降低，從而以更快的速率從纖維內部逸出并被抽走。這極大地減少了有害副產物在纖維內部的滯留時間，為形成致密的初始碳結構打下基礎。

第二階段：中溫裂解與惰性氣體保護

當溫度升至主要裂解反應發生的區間，纖維骨架開始發生劇烈的化學鍵斷裂與重組。

此時切換至穩定流量的高純惰性氣體氛圍。其主要作用有三：一是維持一個純凈的惰性環境，防止高溫下的纖維與氧氣等發生反應；二是作為載氣，繼續將新生成的裂解氣體產物帶離反應區；三是通過對流作用，促進爐內溫度場的均勻，確保所有預制體同步反應。

第三階段：深度碳化與反應性氣氛精調

在更高的溫度區間，為了進一步促進非碳元素的脫除和碳網平面的生長，有時會引入微量的反應性氣氛。

這些反應性氣體能夠像“分子剪刀"一樣，選擇性地與纖維中殘留的氫、氧等元素反應，生成揮發性的氯化物而被移除，從而起到“純化"和促進石墨化微晶生成的作用。此階段的氣氛控制需極為精確，流量與濃度必須嚴格控制，以避免對碳纖維骨架造成過度侵蝕。

四、價值與展望：推動工藝升級

多段氣氛切換技術的應用，為碳纖維預制體的制備帶來了質的飛躍，并展現出廣闊的未來前景。

顯著提升產品性能與一致性：通過精準的氣氛控制，有效減少了纖維內部缺陷，提高了碳收率和最終產品的力學性能，同時確保了同一批次乃至不同批次間產品質量的穩定。

增強工藝窗口與研發能力：該技術為工藝工程師提供了一個更寬、更精細的調控維度。通過設計不同的氣氛切換程序，可以探索和優化針對不同前驅體原料的最佳碳化路徑，加速新材料的研發進程。

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