发明内容

针对以上问题，本发明旨在提供一种多取向层叠碳纤维布的制造方法，其步骤如下：第一步，将石墨鳞片、氧化石墨或者短纤维预处理，并与聚合物共混；采用石墨鳞片或者氧化石墨与聚合物混合，制备石墨-聚合物复合材料，其中包括对石墨的预处理，进一步提高石墨与聚合物界面结合作用。在后期碳化与石墨化过程中，石墨鳞片或氧化石墨在高温状态下生长为石墨微片，发生相互层结重叠，诱导在聚合物中形成强作用力的网状结构；第二步，石墨-聚合物复合材料用挤出机和层叠器挤出，通过流延膜机头，制备成石墨-聚合物复合材料薄膜，并使薄膜各组分分散均匀，并实现预取向；第三步，挤出的复合材料薄膜通过机头处的切割装置，将薄膜切割成纤维条；第四步，纤维条通过拉伸取向装置进行高速牵伸，实现二次取向和定型；利用纤维条生产机进行高速牵引实现二次取向并定型，定型后的带状原丝厚度为几百纳米～几微米，其宽度为几十～几百微米；第五步，通过纤维条编织装置对取向后的纤维条进行编织，采用子午-斜交编织铺设，铺设完成后将编织布整体热压；第六步，将编制好的纤维条布进行交联处理，采用交联处理装置，可采用辐射交联，氧化交联等；第七步，对交联后的布在高温炉中碳化及石墨化处理，从而制得碳纤维布。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法，主要包括层叠挤出部分、拉伸取向部分、纤维编织部分、交联固化部分及高温碳化和石墨化部分组成。其中，层叠挤出包括挤出机、层叠器、流延膜机头等；拉伸取向部分采用纤维条生产机；纤维条编织部分采用纤维条编织机；高温碳化部分利用石墨化炉或者激光设备。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法中，层叠挤出部分挤出机与层叠器连接，采用多套多节层叠器串联使用，从而增强石墨在复合材料中的分散性，并对石墨-聚合物复合材料进行预取向。层叠器出口尺寸可以根据复合材料薄膜宽度进行确定，层叠器连接流延膜机头，之后再连接分条切割组件，将制得的复合材料薄膜进行分条得到石墨-聚合物带状原丝。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法中，编织部分采用纤维条编织机，创新提出以石墨-聚合物纤维条为基本编织单位、以子午-斜交编织结构进行编织，利用纤维条编织机，编织成多层纤维取向结构，模型结构为子午层-斜交层相间铺设，子午层为0°与90°纤维条交叉编织，斜交层为45°与-45°纤维条交叉编织。根据产品的性能要求，编织角度可做相应调整。编织结束后，编织机可对编织好的产品进行热压，促使斜交层与子午层各层纤维布相互粘结。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法中，石墨-聚合物带状原丝编织布交联处理部分，可利用辐射交联，氧化交联，得到热固化状态。交联后的纤维条布在碳化和石墨化阶段，能够维持稳定的结构，不熔融，不蓬松，并能接受适当的牵引拉力作用。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法的碳化-石墨化设备可以为高温炉或者激光装置，激光采用矩形激光。通过高温炉或矩形激光装置产生的高温对编织好的石墨-聚合物纤维条布进行碳化和石墨化处理，在保证编织结构和纤维取向的情况下，去除H、O、N等其他原子，实现多取向碳纤维的制备。控制碳化温度和时间，可以实现纤维布深层碳化甚至全部碳化。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法采用的聚合物基体可采用PE、PVC、PEK、PI等热塑性材料，层叠挤出时具有热塑性，经过热稳定交联处理后固化，不再具备热塑性。交联聚合物在碳化-石墨化阶段，碳化层中除C原子外的其余原子全部脱掉。碳纤维布进行全层碳化，基体中的所有除碳原子外的其他原子全部脱除。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法中，石墨-聚合物纤维条进行碳化-石墨化处理时，添加的石墨微晶逐渐长大，成为石墨微片，各石墨微片相互层结重叠，或者随着碳化和石墨化进行，微片之间相互连接，最终形成大片的，相互之间具有强作用力的碳纤维网状结构。同时，利用短纤维作为诱导材料，经过碳化和石墨化处理，短纤维尺寸变大，最终形成相互缠绕、有取向的纤维束。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法中，石墨-聚合物纤维条进行碳化和石墨化处理后，为碳纤维布进行表面处理。在经过碳化与石墨化之后，碳纤维布的主要构成物质为石墨质的碳，具有天然的化学惰性，表面性能较低，与树脂的结合性较差，在其纤维表面引入活性较高的活性基团，使其更好地进行上浆处理。由于本产品为碳纤维条，较PAN生产制得的碳纤维原丝，更易实现碳纤维的表面上浆工艺，提高生产效率。

本发明一种多取向层叠碳纤维布的制造方法能够实现的目标以及主要创新点为：(1)利用层叠原理及拉伸装置，制备出有取向的碳纤维复合材料；(2)以纤维条替代纤维束为基本单位进行编织，提高生产效率，降低生产成本；(3)提出以加入的氧化石墨或鳞片石墨为诱导的方式，以PE，PVC等材料为前驱体制备碳纤维；(4)参考子午轮胎与斜交轮胎，提出并制备子午-斜交带状原丝铺层方式碳纤维增强编织布或板材，保证最终制备的材料具有多个方向的强度；(5)可对编织好的碳纤维带状原丝产品进行聚合物交联处理，经过碳化及石墨化处理制备出碳纤维编织布。本发明方法可降低制备碳纤维的材料成本，提高了碳纤维的生产制备效率，有极大的应用价值。