Fibra de carbon, cunoscută drept regele noilor materiale în secolul 21, este o perlă strălucitoare în materiale.Fibra de carbon (CF) este un fel de fibră anorganică cu un conținut de carbon mai mare de 90%.Fibrele organice (pe bază de viscoză, pe bază de smoală, fibre pe bază de poliacrilonitril etc.) sunt pirolizate și carbonizate la temperatură ridicată pentru a forma coloana vertebrală de carbon.
Fibră de carbon, ca o nouă generație de fibre armate, are proprietăți mecanice și chimice excelente.Nu numai că are caracteristicile inerente ale materialelor de carbon, dar are și moliciunea și procesabilitatea fibrei textile.Prin urmare, este utilizat pe scară largă în domeniul aerospațial, al echipamentelor energetice, al transporturilor, al sportului și al agrementului
Greutate redusă: ca material strategic nou cu performanțe excelente, densitatea fibrei de carbon este aproape aceeași cu cea a magneziului și beriliului, mai puțin de 1/4 din cea a oțelului.Utilizarea compozitului din fibră de carbon ca material structural poate reduce greutatea structurală cu 30% - 40%.
Rezistență ridicată și modul ridicat: rezistența specifică a fibrei de carbon este de 5 ori mai mare decât cea a oțelului și de 4 ori mai mare decât cea a aliajului de aluminiu;Modulul specific este de 1,3-12,3 ori față de alte materiale structurale.
Coeficient mic de expansiune: coeficientul de dilatare termică al majorității fibrelor de carbon este negativ la temperatura camerei, 0 la 200-400 ℃ și doar 1,5 la mai puțin de 1000 ℃ × 10-6 / K, nu este ușor de extins și deformat din cauza lucrului ridicat temperatura.
Rezistență bună la coroziune chimică: fibra de carbon are un conținut ridicat de carbon pur, iar carbonul este unul dintre cele mai stabile elemente chimice, rezultând o performanță foarte stabilă în mediul acid și alcalin, care poate fi transformat în tot felul de produse chimice anticorozive.
Rezistență puternică la oboseală: structura fibrei de carbon este stabilă.Conform statisticilor rețelei de polimeri, după milioane de cicluri de încercare la oboseală, rata de reținere a rezistenței compozitului este încă de 60%, în timp ce cea a oțelului este de 40%, aluminiul este de 30% și plasticul armat cu fibră de sticlă este de doar 20%. % – 25%.
Compozitul din fibră de carbon este reîntărirea fibrei de carbon.Deși fibra de carbon poate fi folosită singură și poate juca o funcție specifică, până la urmă este un material fragil.Numai atunci când este combinat cu materialul matricei pentru a forma un compozit din fibră de carbon, poate oferi un joc mai bun proprietăților sale mecanice și poate suporta mai multe sarcini.
Fibrele de carbon pot fi clasificate în funcție de diferite dimensiuni, cum ar fi tipul de precursor, metoda de fabricație și performanța
După tipul de precursor: pe bază de poliacrilonitril (Pan), pe bază de smoală (izotropă, mezofază);Baza de vascoza (baza de celuloza, baza de raion).Printre acestea, fibra de carbon pe bază de poliacrilonitril (Pan) ocupă poziția principală, iar producția sa reprezintă mai mult de 90% din totalul fibrei de carbon, în timp ce fibra de carbon pe bază de viscoză reprezintă mai puțin de 1%.
În funcție de condițiile și metodele de fabricație: fibră de carbon (800-1600 ℃), fibră de grafit (2000-3000 ℃), fibră de carbon activat, fibră de carbon crescută în vapori.
În funcție de proprietățile mecanice, poate fi împărțit în tip general și tip de înaltă performanță: rezistența fibrei de carbon de tip general este de aproximativ 1000MPa, iar modulul este de aproximativ 100GPa;Tipul de înaltă performanță poate fi împărțit în tip de înaltă rezistență (rezistență 2000mPa, modul 250gpa) și model înalt (modul 300gpa sau mai mult), printre care rezistența mai mare de 4000mpa este numită și tip de rezistență ultra-înaltă, iar modulul mai mare de 450gpa este numit model ultra-înalt.
În funcție de dimensiunea cârligului, acesta poate fi împărțit în cârlig mic și cârlig mare: fibra de carbon de cârlig mic este în principal 1K, 3K și 6K în stadiul inițial și dezvoltată treptat în 12K și 24K, care este utilizat în principal în industria aerospațială, sport și câmpuri de agrement.Fibrele de carbon peste 48K sunt de obicei numite fibre de carbon mari, inclusiv 48K, 60K, 80K etc., care sunt utilizate în principal în domeniile industriale.
Rezistența la tracțiune și modulul de tracțiune sunt doi indici principali pentru a evalua proprietățile fibrei de carbon.Pe baza acestui fapt, China a promulgat standardul național pentru fibra de carbon pe bază de PAN (GB / t26752-2011) în 2011. În același timp, datorită avantajului absolut de lider al lui Toray în industria globală a fibrei de carbon, majoritatea producătorilor autohtoni adoptă, de asemenea, standardul de clasificare Toray. ca referință.
1.2 barierele mari aduc o valoare adăugată ridicată.Îmbunătățirea procesului și realizarea producției de masă pot reduce semnificativ costurile și pot crește eficiența
1.2.1 bariera tehnică a industriei este ridicată, producția de precursori este nucleul, iar carbonizarea și oxidarea sunt cheia
Procesul de producție al fibrei de carbon este complex, ceea ce necesită echipamente și tehnologie înaltă.Controlul preciziei, temperaturii și timpului fiecărei legături va afecta foarte mult calitatea produsului final.Fibra de carbon din poliacrilonitril a devenit cea mai utilizată și cea mai mare producție de fibră de carbon în prezent datorită procesului său de preparare relativ simplu, costului scăzut de producție și eliminării convenabile a trei deșeuri.Principala materie primă propan poate fi făcută din țiței, iar lanțul industriei de fibre de carbon PAN include un proces complet de fabricație de la energia primară până la aplicarea terminală.
După ce propanul a fost preparat din petrol brut, propilena a fost obţinută prin dehidrogenarea catalitică selectivă (PDH) a propanului;
Acrilonitrilul a fost obținut prin amoxidarea propilenei.Precursorul de poliacrilonitril (Pan) a fost obţinut prin polimerizarea şi filarea acrilonitrilului;
Poliacrilonitrilul este preoxidat, carbonizat la temperatură scăzută și ridicată pentru a obține fibră de carbon, care poate fi transformată în țesătură din fibră de carbon și preimpregnat din fibră de carbon pentru producerea de compozite din fibră de carbon;
Fibra de carbon este combinată cu rășină, ceramică și alte materiale pentru a forma compozite din fibră de carbon.În final, produsele finale pentru aplicații din aval sunt obținute prin diferite procese de turnare;
Calitatea și nivelul de performanță al precursorului determină în mod direct performanța finală a fibrei de carbon.Prin urmare, îmbunătățirea calității soluției de filare și optimizarea factorilor de formare a precursorilor devin punctele cheie ale preparării fibrei de carbon de înaltă calitate.
Potrivit „Cercetării procesului de producție a precursorului de fibră de carbon pe bază de poliacrilonitril”, procesul de filare include în principal trei categorii: filare umedă, filare uscată și filare uscată umedă.În prezent, filarea umedă și filarea umedă uscată sunt utilizate în principal pentru a produce precursori de poliacrilonitril în țară și în străinătate, dintre care filarea umedă este cea mai utilizată.
Filatura umedă extrude mai întâi soluția de filare din orificiul filării, iar soluția de filare intră în baia de coagulare sub formă de flux mic.Mecanismul de filare al soluției de filare de poliacrilonitril este că există un decalaj mare între concentrația de DMSO în soluția de filare și baia de coagulare și există, de asemenea, un decalaj mare între concentrația de apă din baia de coagulare și soluția de poliacrilonitril.Sub interacțiunea celor două diferențe de concentrație de mai sus, lichidul începe să difuzeze în două direcții și în cele din urmă se condensează în filamente prin transfer de masă, transfer de căldură, mișcare de echilibru de fază și alte procese.
În producția de precursor, cantitatea reziduală de DMSO, dimensiunea fibrei, rezistența monofilamentului, modulul, alungirea, conținutul de ulei și contracția în apă clocotită devin factorii cheie care afectează calitatea precursorului.Luând ca exemplu cantitatea reziduală de DMSO, acesta are influență asupra proprietăților aparente ale precursorului, stării secțiunii transversale și valorii CV a produsului final din fibră de carbon.Cu cât cantitatea reziduală de DMSO este mai mică, cu atât este mai mare performanța produsului.În producție, DMSO este îndepărtat în principal prin spălare, așa că modul în care se controlează temperatura de spălare, timpul, cantitatea de apă desarata și cantitatea de ciclu de spălare devine o verigă importantă.
Precursorul de poliacrilonitril de înaltă calitate ar trebui să aibă următoarele caracteristici: densitate mare, cristalinitate ridicată, rezistență adecvată, secțiune transversală circulară, mai puține defecte fizice, suprafață netedă și structură centrală uniformă și densă a pielii.
Controlul temperaturii carbonizării și oxidării este cheia.Carbonizarea și oxidarea este o etapă esențială în producerea produselor finale din fibră de carbon din precursori.În acest pas, precizia și intervalul de temperatură trebuie controlate cu precizie, în caz contrar, rezistența la tracțiune a produselor din fibră de carbon va fi afectată semnificativ și chiar va duce la ruperea firului.
Preoxidare (200-300 ℃): în procesul de preoxidare, precursorul PAN este lent și ușor oxidat prin aplicarea unei anumite tensiuni în atmosfera oxidantă, formând un număr mare de structuri inelare pe baza lanțului drept pan, astfel încât atinge scopul de a rezista tratamentului la temperaturi mai ridicate.
Carbonizare (temperatura maximă nu mai mică de 1000 ℃): procesul de carbonizare trebuie efectuat în atmosferă inertă.În stadiul incipient al carbonizării, lanțul pan se rupe și începe reacția de reticulare;Odată cu creșterea temperaturii, reacția de descompunere termică începe să elibereze un număr mare de gaze cu molecule mici, iar structura de grafit începe să se formeze;Când temperatura a crescut și mai mult, conținutul de carbon a crescut rapid și fibra de carbon a început să se formeze.
Grafitizare (temperatura de tratare peste 2000 ℃): grafitizarea nu este un proces necesar pentru producerea fibrei de carbon, ci un proces opțional.Dacă este de așteptat un modul elastic mare al fibrei de carbon, este necesară grafitizarea;Dacă se așteaptă o rezistență ridicată a fibrei de carbon, nu este necesară grafitizarea.În procesul de grafitizare, temperatura ridicată face ca fibra să formeze o structură de plasă de grafit dezvoltată, iar structura este integrată prin desen pentru a obține produsul final.
Bariere tehnice ridicate dotează produsele din aval cu valoare adăugată mare, iar prețul compozitelor pentru aviație este de 200 de ori mai mare decât cel al mătăsii brute.Datorită dificultății mari de preparare a fibrei de carbon și procesului complex, cu cât produsele sunt mai în aval, cu atât valoarea adăugată este mai mare.În special pentru compozitele high-end din fibră de carbon utilizate în domeniul aerospațial, deoarece clienții din aval au cerințe foarte stricte cu privire la fiabilitatea și stabilitatea acestuia, prețul produsului arată și o creștere geometrică multiplă în comparație cu fibra de carbon obișnuită.
Ora postării: 22-iul-2021