PANベースの生のワイヤーは、予備酸化、低温炭化、高温炭化を経て形成される必要がある。炭素繊維その後、黒鉛化されてグラファイト繊維が作られます。温度は200℃から2000～3000℃に達し、様々な反応が起こり、様々な構造が形成され、それによって様々な特性が生まれます。
1. 熱分解段階：低温部では予備酸化、高温部では低温炭化
前酸化アリル化は、約100分間、温度200～300℃で行われ、熱可塑性PANの線状高分子鎖を非可塑性の耐熱台形構造に変化させることを目的としている。主な反応は、高分子鎖の環化と分子間架橋であり、熱分解反応と多数の小分子の放出を伴う。アリル化率は一般に40～60%である。
低温炭化温度一般的には300～800℃で、主に熱分解反応で、主に高温の電気炉の線材加熱を利用して、この段階で大量の排気ガスとタールが発生します。
特徴: 予備酸化された繊維の色は濃くなり、通常は黒くなりますが、繊維の形態は保持され、内部構造はある程度の化学変化を起こし、多数の酸素含有官能基と架橋構造が形成され、その後の炭化の基礎が築かれます。
2. （高温）炭化段階炭素化とは、不活性雰囲気下で前駆体を高温で前酸化分解し、炭素に加えてヘテロ原子（酸素、水素、窒素など）を除去することで、徐々に炭化を進め、非晶質炭素または微結晶炭素構造を形成するプロセスです。このプロセスは炭素骨格形成における重要なステップです。加熱温度は通常1000～1800℃で、主に熱凝縮反応が起こり、加熱にはグラファイトヒーターが用いられます。
特徴: 炭化材料の主成分は炭素であり、その構造は主に非晶質炭素または混沌としたグラファイト構造であり、その電気伝導性、機械的性質は酸化前の製品に比べて大幅に向上しています。
3. グラファイト化炭化生成物をさらに高温で熱処理することで、非晶質炭素または微結晶炭素の構造をより秩序だったグラファイト結晶構造へと促進します。高温作用により、炭素原子は再配列し、高度に配向した六方格子層構造を形成します。これにより、材料の電気伝導性、熱伝導性、および機械的強度が大幅に向上します。
特徴：黒鉛化製品は結晶性の高い黒鉛構造を有し、優れた導電性と熱伝導性、そして高い比強度と比弾性率を備えています。例えば、高弾性率は炭素繊維高度な黒鉛化によって得られます。
前酸化、炭化、黒鉛化の具体的な手順と設備要件:
前酸化：空気中、200～300℃の温度に制御された状態で行います。繊維の収縮を抑えるため、張力をかける必要があります。
炭化: 不活性雰囲気中で温度を徐々に 1000 ～ 2000°C まで上げながら行います。
黒鉛化: 通常は真空中または不活性雰囲気中で、高温 (2000 ～ 3000°C) で実行されます。
投稿日時: 2025年5月22日
