Въглеродните влакна, известни като кралят на новите материали през 21 век, са ярка перла в материалите.Въглеродните влакна (CF) са вид неорганични влакна с повече от 90% съдържание на въглерод.Органичните влакна (на базата на вискоза, на базата на смола, на базата на полиакрилонитрил и др.) се пиролизират и карбонизират при висока температура, за да образуват въглероден гръбнак.
Като ново поколение подсилени влакна, въглеродните влакна имат отлични механични и химични свойства.Той не само има присъщите характеристики на въглеродните материали, но също така има мекотата и възможността за обработка на текстилните влакна.Поради това се използва широко в космическото, енергийното оборудване, транспорта, спорта и развлеченията
Леко тегло: като стратегически нов материал с отлична производителност, плътността на въглеродните влакна е почти същата като тази на магнезия и берилия, по-малко от 1/4 от тази на стоманата.Използването на композит от въглеродни влакна като структурен материал може да намали теглото на конструкцията с 30% – 40%.
Висока якост и висок модул: специфичната якост на въглеродните влакна е 5 пъти по-висока от тази на стоманата и 4 пъти по-висока от тази на алуминиевата сплав;Специфичният модул е 1,3-12,3 пъти в сравнение с други структурни материали.
Малък коефициент на разширение: коефициентът на топлинно разширение на повечето въглеродни влакна е отрицателен при стайна температура, 0 при 200-400 ℃ и само 1,5 при по-малко от 1000 ℃ × 10-6 / K, не е лесно да се разширява и деформира поради висока работна температура.
Добра устойчивост на химическа корозия: въглеродните влакна имат високо съдържание на чист въглерод, а въглеродът е един от най-стабилните химични елементи, което води до неговата много стабилна работа в киселинна и алкална среда, която може да се превърне във всички видове химически антикорозионни продукти.
Силна устойчивост на умора: структурата на въглеродните влакна е стабилна.Според статистиката на полимерната мрежа, след милиони цикли на изпитване за умора на напрежение, степента на задържане на якостта на композита е все още 60%, докато тази на стоманата е 40%, алуминият е 30%, а пластмасата, подсилена със стъклени влакна, е само 20 % – 25%.
Композитът от въглеродни влакна е повторното укрепване на въглеродните влакна.Въпреки че въглеродните влакна могат да се използват самостоятелно и да изпълняват специфична функция, в крайна сметка това е крехък материал.Само когато се комбинира с материала на матрицата, за да се образува композит от въглеродни влакна, той може да даде по-добра игра на своите механични свойства и да понесе повече товари.
Въглеродните влакна могат да бъдат класифицирани според различни размери като тип прекурсор, метод на производство и производителност
Според вида на прекурсора: на основата на полиакрилонитрил (Pan), на базата на смола (изотропна, мезофазна);Вискозна основа (целулозна основа, изкуствена коприна).Сред тях, въглеродните влакна на основата на полиакрилонитрил (Pan) заемат основната позиция и продукцията им представлява повече от 90% от общите въглеродни влакна, докато въглеродните влакна на базата на вискоза представляват по-малко от 1%.
Според условията и методите на производство: въглеродни влакна (800-1600 ℃), графитни влакна (2000-3000 ℃), активни въглеродни влакна, въглеродни влакна, отгледани на пара.
Според механичните свойства, той може да бъде разделен на общ тип и тип с висока производителност: якостта на въглеродните влакна от общ тип е около 1000MPa, а модулът е около 100GPa;Типът с висока производителност може да бъде разделен на тип с висока якост (якост 2000mPa, модул 250gpa) и висок модел (модул 300gpa или повече), сред които якостта, по-голяма от 4000mpa, също се нарича тип с ултрависока якост, а модулът над 450gpa е наречен ултрависок модел.
Според размера на теглича, той може да бъде разделен на малък теглич и голям теглене: малките тегличи въглеродни влакна са главно 1K, 3K и 6K в началния етап и постепенно се развиват в 12K и 24K, които се използват главно в космическото пространство, спорта и полета за отдих.Въглеродните влакна над 48K обикновено се наричат големи въглеродни влакна, включително 48K, 60K, 80K и т.н., които се използват главно в промишлени области.
Якостта на опън и модулът на опън са два основни показателя за оценка на свойствата на въглеродните влакна.Въз основа на това през 2011 г. Китай обнародва националния стандарт за базирани на PAN въглеродни влакна (GB / t26752-2011). В същото време, поради абсолютното водещо предимство на Toray в глобалната индустрия за въглеродни влакна, повечето местни производители също приемат стандарта за класификация на Toray като справка.
1.2 високите бариери носят висока добавена стойност.Подобряването на процеса и реализирането на масово производство може значително да намали разходите и да увеличи ефективността
1.2.1 техническата бариера на индустрията е висока, производството на прекурсори е в основата, а карбонизацията и окисляването са ключът
Процесът на производство на въглеродни влакна е сложен, което изисква високо оборудване и технологии.Контролът на точността, температурата и времето на всяка връзка ще повлияе значително на качеството на крайния продукт.Полиакрилонитрилните въглеродни влакна се превърнаха в най-широко използваните въглеродни влакна с най-голяма производителност в момента поради сравнително простия процес на приготвяне, ниските производствени разходи и удобното изхвърляне на три отпадъци.Основната суровина пропан може да бъде произведена от суров нефт, а веригата за производство на въглеродни влакна PAN включва пълен производствен процес от първичната енергия до крайното приложение.
След като пропанът беше получен от суров нефт, пропилей беше получен чрез селективно каталитично дехидрогениране (PDH) на пропан;
Акрилонитрилът се получава чрез амоксидиране на пропилен.Прекурсорът на полиакрилонитрил (Pan) се получава чрез полимеризация и предене на акрилонитрил;
Полиакрилонитрилът е предварително окислен, карбонизиран при ниска и висока температура, за да се получат въглеродни влакна, които могат да бъдат направени в тъкан от въглеродни влакна и препрег от въглеродни влакна за производството на композитни материали от въглеродни влакна;
Въглеродните влакна се комбинират със смола, керамика и други материали, за да се образуват композити от въглеродни влакна.И накрая, крайните продукти за приложения надолу по веригата се получават чрез различни процеси на формоване;
Качеството и нивото на производителност на прекурсора директно определят крайната производителност на въглеродните влакна.Следователно, подобряването на качеството на предещия разтвор и оптимизирането на факторите за образуване на прекурсор стават ключови моменти за получаване на висококачествени въглеродни влакна.
Според „Изследване на производствения процес на прекурсор на въглеродни влакна на основата на полиакрилонитрил“, процесът на предене включва главно три категории: мокро предене, сухо предене и сухо мокро предене.Понастоящем мокрото предене и сухото мокро предене се използват главно за производство на полиакрилонитрилен прекурсор у дома и в чужбина, сред които мокрото предене е най-широко използваното.
Мокрото предене първо екструдира предащия разтвор от отвора на предачката и предещият разтвор навлиза в коагулационната вана под формата на малък поток.Механизмът на въртене на разтвора за предене на полиакрилонитрил е, че има голяма разлика между концентрацията на DMSO в разтвора за въртене и коагулационната баня, а също така има голяма разлика между концентрацията на вода в коагулационната вана и разтвора на полиакрилонитрил.При взаимодействието на горните две разлики в концентрацията течността започва да дифундира в две посоки и накрая се кондензира във влакна чрез пренос на маса, пренос на топлина, движение на фазово равновесие и други процеси.
При производството на прекурсор, остатъчното количество DMSO, размерът на влакната, здравината на монофиламентите, модулът, удължението, съдържанието на масло и свиването при кипяща вода стават ключовите фактори, влияещи върху качеството на прекурсора.Вземайки остатъчното количество DMSO като пример, то оказва влияние върху очевидните свойства на прекурсора, състоянието на напречното сечение и CV стойността на крайния продукт от въглеродни влакна.Колкото по-ниско е остатъчното количество DMSO, толкова по-висока е производителността на продукта.При производството DMSO се отстранява главно чрез измиване, така че как да се контролира температурата на измиване, времето, количеството обезсолена вода и количеството на цикъла на измиване става важна връзка.
Висококачественият полиакрилонитрилен прекурсор трябва да има следните характеристики: висока плътност, висока кристалност, подходяща якост, кръгло напречно сечение, по-малко физически дефекти, гладка повърхност и еднаква и плътна структура на сърцевината на кожата.
Температурният контрол на карбонизацията и окисляването е ключът.Карбонизирането и окисляването е важна стъпка в производството на крайни продукти от въглеродни влакна от прекурсор.В тази стъпка точността и диапазонът на температурата трябва да бъдат точно контролирани, в противен случай якостта на опън на продуктите от въглеродни влакна ще бъде значително засегната и дори ще доведе до счупване на проводника
Предварително оксидиране (200-300 ℃): в процеса на предварително окисляване прекурсорът на PAN се окислява бавно и леко чрез прилагане на определено напрежение в окислителната атмосфера, образувайки голям брой пръстенови структури на базата на права верига на тиган, така че да постигат целта да издържат на обработка с по-висока температура.
Карбонизация (максимална температура не по-ниска от 1000 ℃): процесът на карбонизация трябва да се извършва в инертна атмосфера.В ранния етап на карбонизацията веригата на тигана се разкъсва и реакцията на омрежване започва;С повишаването на температурата реакцията на термично разлагане започва да освобождава голям брой газове с малки молекули и започва да се образува графитната структура;Когато температурата се повиши допълнително, въглеродното съдържание се увеличи бързо и въглеродните влакна започнаха да се образуват.
Графитизация (температура на обработка над 2000 ℃): графитизацията не е необходим процес за производството на въглеродни влакна, а незадължителен процес.Ако се очаква висок модул на еластичност на въглеродните влакна, е необходима графитизация;Ако се очаква висока якост на въглеродните влакна, не е необходима графитизация.В процеса на графитизация високата температура кара влакното да образува развита графитна мрежеста структура и структурата се интегрира чрез изтегляне, за да се получи крайният продукт.
Високите технически бариери придават на продуктите надолу по веригата висока добавена стойност, а цената на авиационните композити е 200 пъти по-висока от тази на суровата коприна.Поради високата трудност на подготовката на въглеродните влакна и сложния процес, колкото по-надолу са продуктите, толкова по-висока е добавената стойност.Особено за композитите от въглеродни влакна от висок клас, използвани в космическата област, тъй като клиентите надолу по веригата имат много строги изисквания за тяхната надеждност и стабилност, цената на продукта също показва геометричен многократен ръст в сравнение с обикновените въглеродни влакна.
Време на публикуване: 22 юли 2021 г