一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法和装置与流程

1.本发明涉及一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法和装置，属于激光应用技术领域。


背景技术：

2.在石墨纤维制备中，碳纤维的石墨化热处理主要采用高温管式间接加热及高频电磁加热模式，其加热是将整个炉体内环境温度加热到3000℃左右，因此石墨化炉预热周期长、能耗高，能源浪费严重且对炉体材料提出了极高的耐高温和隔热要求。激光加热具有瞬间高温，加热温度和加热区域可精准控制，可以采用激光单纯辐照加热碳纤维，利用碳纤维将激光能转化为热能，从而实现对碳纤维进行高温加热。由于不需要对环境温度加热，因此激光能量被大幅节约，能耗预期节约70％，从而大幅降低石墨纤维的制造成本。此外，由于不需要额外的隔热处理，因此石墨化设备的成本也大幅降低。


技术实现要素：

3.针对传统石墨化装置预热周期长、能耗高，能源浪费严重且对炉体材料耐温要求高的问题，本发明提供了一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法和装置。
4.本发明的技术解决方案如下：一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法，该方法是将碳纤维丝束置于一维抛物线型反射面的焦点附近并沿着焦线运动，采用激光束直接辐照碳纤维丝束上表面，碳纤维丝束吸收光能并将其转换为热能，从而使碳纤维丝束的温度瞬间达到石墨化温度；入射到抛物线型反射面上的激光束并被反射汇聚到碳纤维丝束的下表面，从而提高碳纤维丝束对辐照激光束的吸收效率；通过精确控制激光器输出的激光功率来实现对碳纤维丝束的稳定加热温度，从而使碳纤维丝束表面被加热区域的温度稳定在石墨化温度范围；为防止碳纤维在高温下被氧化，通过向所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置内通入氩气或氦气作为保护气。
5.如附图1和附图2所示，本发明提供的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置包括反射体1、支撑座2、气动接头3、固定板4、光学窗口板5、半导体激光垂直叠阵6、激光电源7、控制器8和测温传感器9；所述的反射体1为金属材质的一维抛物面反射体，其反射面为抛物线型，反射面镀制对所述半导体激光垂直叠阵6输出波长的高反射膜，反射率不低于99％，用于将未辐照在碳纤维丝束上表面的激光束反射汇聚到碳纤维丝束下表面；如附图2所示，所述的支撑座2为金属材质的壳体，底部四个侧面通过螺钉与反射体1相连接，上表面通光孔固定光学窗口板5，通丝孔的中心为反射体1的抛物线型反射面的焦点，碳纤维丝束沿着通丝孔进入所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置，经过半导体激光垂直叠阵6辐照加热后变为石墨纤维从所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置的另一端传送出；
所述的气动接头3为l型金属接头，用于向所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置内通入氩气或氦气；所述的固定板4为金属材质的异形薄板，通过螺钉固定在支撑座2上，用于装夹半导体激光垂直叠阵6和测温传感器9；所述的光学窗口板5为含有圆孔的石英材质光学平板玻璃，上表面镀制对所述的半导体激光垂直叠阵6输出光波长的光学增透膜，透射率不低于99.5％，用于保护半导体激光垂直叠阵6以防受到烟尘污染；所述的半导体激光垂直叠阵6为808nm、940nm或976nm波长的垂直叠阵半导体激光器，其输出光束的快轴发散角不大于2
°
，通过螺钉固定在固定板4上，用于辐照加热碳纤维丝束的上表面；所述的激光电源7为电压自适应的恒流源，用于向半导体激光垂直叠阵6供电；所述的控制器8为单片机控制器，采集来自测温传感器9的温度信号，通过与设定的温度范围比较，输出0～10v的电压以控制激光电源7输出的激光功率；所述的测温传感器9为在线式非接触红外测温传感器，通过螺钉固定在固定板4上，测温端穿过光学窗口板5的圆孔，用于测量碳纤维丝束上表面被加热位置的温度。
6.有益效果：本发明提供的一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法和装置，采用激光束辐照加热碳纤维丝束上表面，采用抛物线型反射面将未辐照在碳纤维丝束上表面的激光束反射汇聚到碳纤维丝束的下表面，从而使激光器发射的光束被碳纤维丝束充分的吸收利用。
附图说明
7.图1是一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置主视图。
8.图2是一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置左视图。图中：1-反射体，2-支撑座，3-气动接头，4-固定板，5-光学窗口板，6-半导体激光垂直叠阵，7-激光电源，8-控制器，9-测温传感器。
具体实施方式
9.实施例1一种特种纤维激光隧道制备方法和装置。
10.本发明的技术解决方案如下：一种碳纤维激光石墨化隧道制备方法，该方法是将碳纤维丝束置于一维抛物线型反射面的焦点附近并沿着焦线运动，采用激光束直接辐照碳纤维丝束上表面，碳纤维丝束吸收光能并将其转换为热能，从而使碳纤维丝束的温度瞬间达到石墨化温度；入射到抛物线型反射面上的激光束并被反射汇聚到碳纤维丝束的下表面，从而提高碳纤维丝束对辐照激光束的吸收效率；通过精确控制激光器输出的激光功率来实现对碳纤维丝束的稳定加热温度，从而使碳纤维丝束表面被加热区域的温度稳定在石墨化温度范围；为防止碳纤维在高温下被氧化，通过向所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置内通入氩气作为保护气。
11.如附图1和附图2所示，本发明提供的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置包括反射体1、支撑座2、气动接头3、固定板4、光学窗口板5、半导体激光垂直叠阵6、激光电源7、控
制器8和测温传感器9；所述的反射体1为金属材质的一维抛物面反射体，其反射面为抛物线型，抛物线方程为x^2＝100y，反射面镀制对所述半导体激光垂直叠阵6输出波长的高反射膜，反射率为99.5％，用于将未辐照在碳纤维丝束上表面的激光束反射汇聚到碳纤维丝束下表面；如附图2所示，所述的支撑座2为金属材质的壳体，底部四个侧面通过螺钉与反射体1相连接，上表面通光孔固定光学窗口板5，通丝孔的中心为反射体1的抛物线型反射面的焦点，碳纤维丝束沿着通丝孔进入所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置，经过半导体激光垂直叠阵6辐照加热后变为石墨纤维从所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置的另一端传送出；所述的气动接头3为l型金属接头，用于向所述的一种碳纤维激光石墨化隧道制备装置内通入氩气；所述的固定板4为金属材质的异形薄板，通过螺钉固定在支撑座2上，用于装夹半导体激光垂直叠阵6和测温传感器9；所述的光学窗口板5为含有圆孔的石英材质光学平板玻璃，上表面镀制对所述的半导体激光垂直叠阵6输出光波长的光学增透膜，透射率为99.8％，用于保护半导体激光垂直叠阵6以防受到烟尘污染；所述的半导体激光垂直叠阵6优选808nm、940nm或976nm波长的垂直叠阵半导体激光器，其输出光束的快轴发散角为0.5
°
，通过螺钉固定在固定板4上，用于辐照加热碳纤维丝束的上表面；所述的激光电源7为电压自适应的恒流源，用于向半导体激光垂直叠阵6供电；所述的控制器8为单片机控制器，采集来自测温传感器9的温度信号，通过与设定的温度范围比较，输出0～10v的电压以控制激光电源7输出的激光功率；所述的测温传感器9为在线式非接触红外测温传感器，通过螺钉固定在固定板4上，测温端穿过光学窗口板5的圆孔，温度测量范围为1500℃～3500℃，用于测量碳纤维丝束上表面被加热位置的温度。
12.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。