專利名稱：一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料增強(qiáng)體改性技術(shù)，具體涉及一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天和現(xiàn)代武器的不斷發(fā)展，對所用材料提出了更高的要求。例如在設(shè)計導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、飛機(jī)的承載構(gòu)件時，越來越需要比強(qiáng)度和比模量高的材料，于是輕質(zhì)、高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料在高科技領(lǐng)域和國防建設(shè)中占有越來越重要的位置。這些復(fù)合材料由增強(qiáng)纖維和基體組成，其中碳纖維是最常用也是最重要的增強(qiáng)體，它具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗蠕變、耐化學(xué)腐蝕和高熱導(dǎo)等特性。但是由于生產(chǎn)原絲和工藝的局限性，就其本體強(qiáng)度與彈性模量而言，實際值與理論值相差很大。碳纖維的理論強(qiáng)度為180GPa，理論模量為1020GPa，即使目前性能最好的T1000碳纖維拉伸強(qiáng)度(7.02GPa)也僅為理論值的3.9％，無法充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能。
目前，我國碳纖維存在價高質(zhì)低、強(qiáng)度低和模量小等不足，我國軍用武器和航天材料使用的碳纖維大多依賴進(jìn)口。近年來，國內(nèi)外提高碳纖維本體強(qiáng)度的方法主要有3種，即通過改性前軀體，減小纖維的缺陷，提高碳纖維的本體強(qiáng)度；通過氣相碳的沉積表面補(bǔ)強(qiáng)，填補(bǔ)纖維的表面缺陷，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的；對碳纖維進(jìn)行磁化提高其石墨化程度，增加纖維的本體強(qiáng)度。但是，現(xiàn)有提高碳纖維本體強(qiáng)度的方法普遍存在著成本高、無法批量處理的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的成本高、無法批量處理的問題，本發(fā)明提供了一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，在γ射線輻照下，提高纖維的石墨化程度，使纖維的本體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而提高纖維的本體強(qiáng)度和模量。本發(fā)明的技術(shù)方案是將碳纖維放入輻照源室內(nèi)進(jìn)行γ射線輻照，所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～6×105Gy。本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是先將碳纖維置于密閉容器內(nèi)，抽真空使密閉容器內(nèi)的壓力低于0.1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入惰性氣體使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入輻照源室進(jìn)行γ射線輻照。由于碳纖維存在皮芯結(jié)構(gòu)，皮層的微晶較大，排列比較整齊有序。由皮層到芯部，微晶減小，排列逐漸紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻性越來越顯著；而γ射線粒子的能量高、穿透力強(qiáng)，能夠在較厚材料內(nèi)部引發(fā)活性點，與材料周圍的介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；γ射線粒子所提供的能量可以使芯部的石墨微晶重新排列、沿纖維軸向提高取向，能提高碳纖維的本體強(qiáng)度和模量。本發(fā)明所述的提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法具有操作過程簡單、成本低廉的優(yōu)點，無需考慮與生產(chǎn)線配套問題，經(jīng)γ射線輻照處理后的材料無放射性，可實現(xiàn)工業(yè)化批量處理。


圖1是γ射線輻照劑量對碳纖維楊氏模量影響的曲線圖，圖2是γ射線輻照劑量對碳纖維強(qiáng)度影響的曲線圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式是將碳纖維放入輻照源室內(nèi)進(jìn)行γ射線輻照，所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～6×105Gy。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～9×104。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，輻照劑量為1×105Gy～2.9×105Gy。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為5×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×105Gy～6×105Gy。
具體實施方式
五本實施方式是先將碳纖維置于密閉容器內(nèi)，抽真空使密閉容器內(nèi)的壓力低于0.1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入惰性氣體使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入輻照源室進(jìn)行γ射線輻照，所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～6×105Gy。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～9×104Gy。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，輻照劑量為1×105Gy～2.9×105Gy。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于所述γ射線輻照劑量率為5×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×105Gy～6×105Gy。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.05個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氮氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為0.6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了3％，楊氏模量提高了3％。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.07個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氖氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為5.5×103Gy/h，輻照劑量為8×104Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了5％，楊氏模量提高了3.2％。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.08個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氬氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為1.9×103Gy/h，輻照劑量為9×104Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了5.5％，楊氏模量提高了3.4％。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.05個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氮氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為2×103Gy/h，輻照劑量為1×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了6％，楊氏模量提高了3.6％。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.07個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氖氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為4×103Gy/h，輻照劑量為2×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了8.6％，楊氏模量提高了3.8％。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.08個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氬氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為4.9×103Gy/h，輻照劑量為2.9×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了9.4％，楊氏模量提高了4％。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.05個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氮氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為5×103Gy/h，輻照劑量為3×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了9％，楊氏模量提高了4％。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.07個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氖氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為1×103Gy/h，輻照劑量為4×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了7.6％，碳纖維的楊氏模量提高了4.8％。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
六的不同點在于將100g碳纖維置于密閉的玻璃容器中，抽真空使容器內(nèi)壓力達(dá)到0.08個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入氬氣使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到達(dá)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入γ射線輻照源室中進(jìn)行輻照；γ射線的輻照劑量率為6×103Gy/h，輻照劑量為6×105Gy。輻照后經(jīng)WD-20D電子萬能試驗機(jī)測試，碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了4％，楊氏模量提高了5％。
依據(jù)本發(fā)明所述方法，碳纖維的楊氏模量隨著γ射線輻照劑量的增加，會有更進(jìn)一步的提高，當(dāng)γ射線輻照劑量達(dá)到3×106Gy時，楊氏模量可提高12％(如圖1所示)，以適應(yīng)不同的使用需求。
權(quán)利要求
1.一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于將碳纖維放入輻照源室內(nèi)進(jìn)行γ射線輻照。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～6×105Gy。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～9×104Gy。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，輻照劑量為1×105Gy～2.9×105Gy。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為5×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×105Gy～6×105Gy。
6.一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于先將碳纖維置于密閉容器內(nèi)，抽真空使密閉容器內(nèi)的壓力低于0.1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，充入惰性氣體使密閉容器內(nèi)的壓力達(dá)到1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后將裝有碳纖維的密閉容器放入輻照源室進(jìn)行γ射線輻照。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～6×105Gy。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為0.6×103Gy/h～1.9×103Gy/h，輻照劑量為3×104Gy～9×104Gy。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為2×103Gy/h～4.9×103Gy/h，輻照劑量為1×105Gy～2.9×105Gy。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，其特征在于所述γ射線輻照劑量率為5×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為3×105Gy～6×105Gy。
全文摘要
一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法，它涉及復(fù)合材料增強(qiáng)體改性技術(shù)，具體涉及一種提高碳纖維強(qiáng)度和模量的方法。為解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的成本高、無法批量處理的問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是將碳纖維放入輻照源室內(nèi)進(jìn)行γ射線輻照，所述γ射線輻照劑量率為0.6×10
文檔編號D06M10/00GK1869292SQ20061001018
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者黃玉東, 徐志偉, 張春華, 劉麗, 宋元軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)