Вугляроднае валакно, вядомае як кароль новых матэрыялаў у 21 стагоддзі, з'яўляецца яркай жамчужынай у матэрыялах.Вугляроднае валакно (CF) - гэта неарганічнае валакно з больш чым 90% утрыманнем вугляроду.Арганічныя валакна (на аснове віскозы, на аснове смалы, на аснове поліакрыланітрылу і г.д.) падвяргаюцца піралізу і карбанізацыі пры высокай тэмпературы з адукацыяй вугляроднай асновы.
Як новае пакаленне армаванага валакна, вугляроднае валакно валодае выдатнымі механічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі.Ён не толькі мае ўласцівыя характарыстыкі вугляродных матэрыялаў, але таксама мае мяккасць і апрацоўку тэкстыльнага валакна.Такім чынам, ён шырока выкарыстоўваецца ў аэракасмічнай галіне, энергетычным абсталяванні, транспарце, спорце і адпачынку
Лёгкі вага: у якасці новага стратэгічнага матэрыялу з выдатнымі характарыстыкамі, шчыльнасць вугляроднага валакна амаль такая ж, як у магнію і берылію, менш чым на 1/4 ад шчыльнасці сталі.Выкарыстанне вугляроднага валакна ў якасці канструкцыйнага матэрыялу можа паменшыць вагу канструкцыі на 30% - 40%.
Высокая трываласць і высокі модуль: удзельная трываласць вугляроднага валакна ў 5 разоў вышэй, чым у сталі, і ў 4 разы вышэй, чым у алюмініевага сплаву;Удзельны модуль у 1,3-12,3 раза больш, чым у іншых канструкцыйных матэрыялаў.
Малы каэфіцыент пашырэння: каэфіцыент цеплавога пашырэння большасці вугляродных валокнаў адмоўны пры пакаёвай тэмпературы, 0 пры 200-400 ℃, і толькі 1,5 пры менш чым 1000 ℃ × 10-6 / K, няпроста пашырыць і дэфармаваць з-за высокай працоўнай нагрузкі тэмпература.
Добрая ўстойлівасць да хімічнай карозіі: вугляроднае валакно мае высокае ўтрыманне чыстага вугляроду, а вуглярод з'яўляецца адным з найбольш стабільных хімічных элементаў, што прыводзіць да яго вельмі стабільнай працы ў кіслотным і шчолачным асяроддзі, з якога можна вырабляць усе віды хімічных антыкаразійных прадуктаў.
Моцная ўстойлівасць да стомленасці: структура вугляроднага валакна стабільная.Згодна са статыстыкай палімернай сеткі, пасля мільёнаў цыклаў выпрабаванняў на стомленасць пад напругай каэфіцыент захавання трываласці кампазіта па-ранейшаму складае 60%, у той час як у сталі - 40%, алюмінія - 30%, а пластыка, армаванага шкловалакном, - толькі 20 % – 25%.
Кампазіт з вугляроднага валакна - гэта паўторнае ўмацаванне вугляроднага валакна.Нягледзячы на тое, што вугляроднае валакно можа выкарыстоўвацца асобна і выконваць пэўныя функцыі, у рэшце рэшт, гэта далікатны матэрыял.Толькі калі ён спалучаецца з матэрыялам матрыцы для фарміравання кампазітнага матэрыялу з вугляроднага валакна, ён можа даць лепшы ход сваім механічным уласцівасцям і несці большыя нагрузкі.
Вугляродныя валокны можна класіфікаваць па розных памерах, такіх як тып папярэдніка, метад вытворчасці і прадукцыйнасць
Па тыпу прэкурсора: на аснове поліакрыланітрылу (Пан), на аснове пеку (ізатропныя, мезафазныя);Віскозная аснова (цэлюлозная аснова, віскозная аснова).Сярод іх вугляроднае валакно на аснове поліакрыланітрылу (Pan) займае асноўнае становішча, і яго выпуск складае больш за 90% ад агульнага аб'ёму вугляроднага валакна, у той час як вугляроднае валакно на аснове віскозы складае менш за 1%.
У адпаведнасці з умовамі і метадамі вытворчасці: вугляроднае валакно (800-1600 ℃), графітнае валакно (2000-3000 ℃), актываванае вугляроднае валакно, вугляроднае валакно, вырашчанае парай.
У адпаведнасці з механічнымі ўласцівасцямі яго можна падзяліць на агульны і высокапрадукцыйны тып: трываласць вугляроднага валакна агульнага тыпу складае каля 1000 МПа, а модуль каля 100 ГПа;Высокапрадукцыйны тып можна падзяліць на высокатрывалы (трываласць 2000 мПа, модуль 250 гпа) і высокую мадэль (модуль 300 гпа або больш), сярод якіх трываласць больш за 4000 мпа таксама называецца звышвысокай трываласцю, а модуль больш за 450 гпа - называецца звышвысокай мадэллю.
У залежнасці ад памеру буксіра, яго можна падзяліць на невялікі буксір і вялікі буксір: невялікі буксір вугляроднага валакна ў асноўным 1K, 3K і 6K на пачатковым этапе, і паступова ператварыўся ў 12K і 24K, які ў асноўным выкарыстоўваецца ў аэракасмічнай, спартыўнай і пляцоўкі для адпачынку.Вугляродныя валокны таўшчынёй вышэй за 48K звычайна называюць вялікімі вугляроднымі валокнамі, у тым ліку 48K, 60K, 80K і г.д., якія ў асноўным выкарыстоўваюцца ў прамысловых галінах.
Трываласць на разрыў і модуль пругкасці - гэта два асноўныя паказчыкі для ацэнкі ўласцівасцей вугляроднага валакна.Грунтуючыся на гэтым, у 2011 годзе Кітай апублікаваў нацыянальны стандарт для вугляроднага валакна на аснове PAN (GB / t26752-2011). У той жа час, з-за абсалютнай лідзіруючай перавагі Toray у сусветнай прамысловасці вугляроднага валакна, большасць айчынных вытворцаў таксама прымаюць стандарт класіфікацыі Toray. у якасці спасылкі.
1.2 высокія бар'еры прыносяць высокую дабаўленую вартасць.Паляпшэнне працэсу і рэалізацыя масавай вытворчасці могуць значна знізіць кошт і павысіць эфектыўнасць
1.2.1 тэхнічны бар'ер галіны высокі, вытворчасць прэкурсораў з'яўляецца ядром, а карбанізацыя і акісленне - ключавымі
Працэс вытворчасці вугляроднага валакна складаны, які патрабуе высокага абсталявання і тэхналогій.Кантроль дакладнасці, тэмпературы і часу кожнага звяна значна паўплывае на якасць канчатковага прадукту.Поліакрыланітрыльнае вугляроднае валакно стала найбольш шырока выкарыстоўваным і самым высокім выхадам вугляроднага валакна ў цяперашні час з-за яго адносна простага працэсу падрыхтоўкі, нізкіх выдаткаў і зручнай утылізацыі трох адходаў.Асноўную сыравіну прапан можна вырабляць з сырой нафты, а прамысловая ланцуг вугляроднага валакна PAN уключае поўны вытворчы працэс ад першаснай энергіі да прымянення на тэрмінале.
Пасля атрымання прапану з сырой нафты прапілен быў атрыманы шляхам селектыўнага каталітычнага дэгідравання (PDH) прапана;
Акрыланітрыл атрымлівалі акісленнем прапілену.Прэкурсор поліакрыланітрылу (Pan) быў атрыманы шляхам полімерызацыі і прадзення акрыланітрылу;
Поліакрыланітрыл папярэдне акісляюць, карбанізуюць пры нізкай і высокай тэмпературах для атрымання вугляроднага валакна, з якога можна вырабіць тканіну з вугляроднага валакна і прэпрэг з вугляроднага валакна для вытворчасці кампазітных матэрыялаў з вугляроднага валакна;
Вугляроднае валакно спалучаецца са смалой, керамікай і іншымі матэрыяламі для атрымання кампазітаў з вугляроднага валакна.Нарэшце, канчатковыя прадукты для далейшага прымянення атрымліваюць з дапамогай розных працэсаў фармавання;
Якасць і ўзровень прадукцыйнасці папярэдніка непасрэдна вызначаюць канчатковыя характарыстыкі вугляроднага валакна.Такім чынам, павышэнне якасці прадзільнага раствора і аптымізацыя фактараў фарміравання прэкурсораў становяцца ключавымі момантамі падрыхтоўкі высакаякаснага вугляроднага валакна.
Згодна з «Даследаваннем працэсу вытворчасці папярэдніка вугляроднага валакна на аснове поліакрыланітрылу», працэс прадзення ў асноўным уключае тры катэгорыі: мокрае прадзенне, сухое прадзенне і сухое мокрае прадзенне.У цяперашні час мокрае прадзенне і сухое вільготнае прадзенне ў асноўным выкарыстоўваюцца для вытворчасці папярэдніка поліакрыланітрылу ў краіне і за мяжой, сярод якіх найбольш шырока выкарыстоўваецца вільготнае прадзенне.
Мокрае прадзенне спачатку выціскае прадзільны раствор з адтуліны фільеры, і прадзільны раствор паступае ў каагуляцыйную ванну ў выглядзе невялікага патоку.Механізм прадзення поліакрыланітрыльнага прадзільнага раствора заключаецца ў тым, што існуе вялікі разрыў паміж канцэнтрацыяй ДМСО ў прадзільным растворы і каагуляцыйнай ванне, а таксама існуе вялікі разрыў паміж канцэнтрацыяй вады ў каагуляцыйнай ванне і поліакрыланітрыльным растворы.Пры ўзаемадзеянні дзвюх вышэйпералічаных розніц канцэнтрацый вадкасць пачынае дыфундзіраваць у двух напрамках і, нарэшце, кандэнсуецца ў ніткі праз масаперанос, цеплаабмен, рух фазавай раўнавагі і іншыя працэсы.
Пры вытворчасці прэкурсора рэшткавая колькасць ДМСО, памер валакна, трываласць мононити, модуль, адноснае падаўжэнне, утрыманне алею і ўсаджванне пры кіпячэнні становяцца ключавымі фактарамі, якія ўплываюць на якасць прэкурсора.Прымаючы ў якасці прыкладу рэшткавую колькасць ДМСО, гэта ўплывае на відавочныя ўласцівасці папярэдніка, стан папярочнага перасеку і значэнне CV канчатковага прадукту з вугляроднага валакна.Чым ніжэй рэшткавая колькасць ДМСО, тым вышэй прадукцыйнасць прадукту.У вытворчасці ДМСО ў асноўным выдаляецца шляхам прамывання, таму важным звяном становіцца тое, як кантраляваць тэмпературу мыцця, час, колькасць абяссоленай вады і колькасць цыкла мыцця.
Высакаякасны папярэднік поліакрыланітрылу павінен мець наступныя характарыстыкі: высокая шчыльнасць, высокая кристалічнасць, адпаведная трываласць, круглы папярочны перасек, менш фізічных дэфектаў, гладкая паверхня і аднастайная і шчыльная структура ядра скуры.
Кантроль тэмпературы карбанізацыі і акіслення з'яўляецца ключом.Карбанізацыя і акісленне з'яўляюцца важным этапам у вытворчасці канчатковых прадуктаў вугляроднага валакна з папярэдніка.На гэтым этапе неабходна дакладна кантраляваць дакладнасць і дыяпазон тэмпературы, у адваротным выпадку трываласць на разрыў вырабаў з вугляроднага валакна будзе значна зніжана і нават прывядзе да абрыву дроту
Папярэдняе акісленне (200-300 ℃): у працэсе папярэдняга акіслення папярэднік ПАН павольна і мякка акісляецца шляхам прымянення пэўнага напружання ў акісляльнай атмасферы, утвараючы вялікую колькасць кальцавых структур на аснове прамога ланцуга рондаля, так што дасягнуць мэты вытрымліваць больш высокую тэмпературу апрацоўкі.
Карбанізацыя (максімальная тэмпература не ніжэй за 1000 ℃): працэс карбанізацыі павінен праводзіцца ў інэртнай атмасферы.На ранняй стадыі карбанізацыі ланцужок патэльні разрываецца і пачынаецца рэакцыя сшывання;З павышэннем тэмпературы рэакцыя тэрмічнага раскладання пачынае вылучаць вялікую колькасць дробных малекул газаў, і пачынае фармавацца структура графіту;Пры далейшым павышэнні тэмпературы ўтрыманне вугляроду хутка павялічвалася, і вугляроднае валакно пачало ўтварацца.
Графітызацыі (тэмпература апрацоўкі вышэй за 2000 ℃): графітызацыі не з'яўляецца неабходным працэсам для вытворчасці вугляроднага валакна, але дадатковы працэс.Калі чакаецца высокі модуль пругкасці вугляроднага валакна, патрэбна графітызацыі;Калі чакаецца высокая трываласць вугляроднага валакна, графитизация не патрэбна.У працэсе графітызацыі высокая тэмпература прымушае валакно ўтвараць развітую структуру графітавай сеткі, і структура інтэгруецца шляхам выцягвання, каб атрымаць канчатковы прадукт.
Высокія тэхнічныя бар'еры надзяляюць перапрацоўчую прадукцыю высокай дабаўленай вартасцю, а кошт авіяцыйных кампазітаў у 200 разоў вышэй, чым шоўку-сырца.З-за высокай складанасці падрыхтоўкі вугляроднага валакна і складанага працэсу, чым больш прадуктаў, тым вышэй дабаўленая вартасць.Спецыяльна для кампазітаў з вугляроднага валакна высокага класа, якія выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай галіне, таму што далейшыя кліенты маюць вельмі строгія патрабаванні да іх надзейнасці і стабільнасці, цана прадукту таксама дэманструе геаметрычны шматразовы рост у параўнанні са звычайным вугляродным валакном.
Час публікацыі: 22 ліпеня 2021 г