Fibra de carboni: material or negre, amb altes barreres de la indústria i alt valor afegit del producte
1. La fibra de carboni és rígida i flexible, i s'utilitza àmpliament en aplicacions aigües avall
La història del desenvolupament material està estretament relacionada amb la història del desenvolupament humà, i els nous materials són una poderosa força motriu perquè la humanitat passi del "regne natural" a la "llibertat". Els materials es defineixen generalment com a substàncies utilitzades per fer objectes útils, i la capacitat humana de reconèixer i utilitzar materials determina directament la forma social i els nivells de vida dels humans. En els temps contemporanis, els materials, l'energia i la informació s'han convertit en els tres pilars de la civilització social i de l'economia nacional, i entre ells, els materials són la base material i el líder tecnològic del desenvolupament de la ciència i la tecnologia.
Al llarg de tota la història del desenvolupament del material, es pot resumir en sis períodes de desenvolupament d'eines de pedra/eines de bronze/eines de ferro/acer/silici/nous materials en termes de temps. Entre ells, amb l'obertura de la nova revolució tecnològica a la segona meitat del segle XX, els nous materials s'han convertit en un impulsor per al desenvolupament de diversos camps d'alta tecnologia. Per exemple, la tecnologia informàtica es basa en la producció industrial de materials semiconductors, i la indústria aeroespacial requereix un gran nombre de materials estructurals d'alta temperatura i alta resistència. S'hi combina i la comunicació moderna de fibra òptica es basa en fibra òptica de baix consum.
La fibra de carboni, coneguda com el rei dels nous materials al segle XXI, és una joia brillant a la corona del material. La fibra de carboni (CF per abreujar) és una fibra inorgànica amb un contingut de carboni superior al 90 per cent. Es prepara craquejant i carbonitzant fibres orgàniques (fibres a base de viscosa, a base de brea, a base de poliacrilonitril, etc.) en un entorn d'alta temperatura per formar un mecanisme d'esquelet de carboni. Com a nova generació de fibres de reforç, les fibres de carboni tenen excel·lents propietats mecàniques i químiques, no només tenen les característiques inherents als materials de carboni, sinó que també tenen la processabilitat suau de les fibres tèxtils, de manera que s'utilitzen àmpliament en aeroespacial, equips energètics, transport, esports. Oci i altres àmbits:
Pes lleuger: com a nou material estratègic amb un rendiment excel·lent, la densitat de la fibra de carboni és bàsicament la mateixa que la del magnesi i el beril·li, i és inferior a 1/4 de la de l'acer. L'ús de material compost de fibra de carboni com a material estructural pot reduir la massa estructural en un 30 per cent -40 per cent.
Alta resistència i alt mòdul: la resistència específica de la fibra de carboni és 5 vegades superior a la de l'acer i 4 vegades superior a la de l'aliatge d'alumini; el mòdul específic és 1.3-12.3 vegades el d'altres materials estructurals.
Coeficient d'expansió petit: el coeficient d'expansió tèrmica de la majoria de fibres de carboni és negatiu a temperatura ambient, 0 a 200-400 graus i només 1,5 × 10-6 /K quan és inferior a 1000 graus. de manera que no és fàcil expandir-se i deformar-se a causa de l'alta temperatura de treball.
Bona resistència a la corrosió química: la fibra de carboni té un alt contingut de carboni pur, i el carboni és un dels elements químics més estables, cosa que el fa molt estable en ambients àcids i àlcalis i es pot convertir en diversos productes anticorrosius químics.
Forta resistència a la fatiga: l'estructura de fibra de carboni és estable. Segons les estadístiques de la xarxa de polímers, la taxa de retenció de resistència del material compost encara és del 60 per cent després de milions de cicles de fatiga per estrès, en comparació amb el 40 per cent per a l'acer, el 30 per cent per a l'alumini i el 30 per cent per al plàstic reforçat amb fibra de vidre. Aleshores només un 20 per cent -25 per cent .
Els materials compostos de fibra de carboni es tornen a reforçar a partir de la fibra de carboni. Tot i que la fibra de carboni es pot utilitzar sola i realitzar funcions específiques, al cap i a la fi és un material trencadís. Només quan es combina amb el material de la matriu per formar un material compost de fibra de carboni pot exercir millors propietats mecàniques i suportar més càrregues.
Les fibres de carboni es poden classificar segons diferents dimensions, com ara el tipus de precursor, el mètode de fabricació i el rendiment:
Segons el tipus de seda crua: a base de poliacrilonitril (PAN), a base de brea (isòtropa, mesofase); a base de viscosa (a base de cel·lulosa, a base de raió). Entre ells, la fibra de carboni basada en poliacrilonitril (PAN) ocupa la posició principal, amb la producció que representa més del 90 per cent de la fibra de carboni total, i la fibra de carboni basada en viscosa és inferior a l'1 per cent.
Classificació segons les condicions i mètodes de fabricació: fibra de carboni ({0}} grau), fibra de grafit (2000-3000 grau), fibra de carbó activat, fibra de carboni cultivada al vapor.
Segons les propietats mecàniques, es pot dividir en tipus d'ús general i tipus d'alt rendiment: la fibra de carboni d'ús general té una resistència de 1000MPa i un mòdul d'uns 100GPa;), en la qual també s'anomena la força superior a 4000MPa. el tipus de resistència ultra alta i el mòdul superior a 450 GPa s'anomena model ultra alt.
Segons la mida del remolc, es pot dividir en remolc petit i remolc gran: la fibra de carboni de remolc petita és principalment 1K, 3K, 6K en l'etapa inicial i es va desenvolupar gradualment en 12K i 24K, que s'utilitza principalment en l'aeroespacial, camps esportius i de lleure. Les fibres de carboni superiors a 48K solen anomenar-se fibres de carboni de remolc grans, incloses les 48K, 60K, 80K, etc., que s'utilitzen principalment en camps industrials.
La resistència a la tracció i el mòdul de tracció són els dos indicadors més importants per mesurar el rendiment de la fibra de carboni. A partir d'això, el meu país va promulgar l'"estàndard nacional per a la fibra de carboni basada en poliacrilonitril (PAN) (GB/T26752-2011)" l'any 2011. Al mateix temps, perquè el japonès Toray té un avantatge absolut absolut a l'àmbit mundial. indústria de la fibra de carboni, la majoria dels fabricants nacionals també adopten l'estàndard de classificació de Toray del Japó com a referència.
2.Altes barreres tècniques a la indústria, la producció de seda crua és el nucli, la carbonització i l'oxidació són la clau
El procés de producció de fibra de carboni és complex i requereix equips i tecnologia extremadament alts. El control de la precisió, la temperatura i el temps de cada enllaç afectarà molt la qualitat del producte final. La fibra de carboni de poliacrilonitril s'ha convertit en la fibra de carboni amb el camp d'aplicació més ampli i la producció més alta en aquesta etapa a causa del seu procés de preparació relativament senzill, el seu baix cost de producció i l'eliminació còmoda de tres residus. La seva principal matèria primera, el propà, es pot obtenir del petroli cru, i la cadena de la indústria de la fibra de carboni de poliacrilonitril inclou un procés de fabricació complet des de l'energia primària fins a les aplicacions d'ús final.
Després de preparar propà a partir del petroli cru, el propà es pot obtenir per deshidrogenació catalítica selectiva (PDH);
L'acrilonitril s'obté després de l'amoxidació del propilè i el precursor de poliacrilonitril (PAN) s'obté després de la polimerització i la filatura de l'acrilonitril;
El poliacrilonitril està pre-oxidat, carbonitzat a baixa temperatura i alta temperatura per obtenir fibra de carboni, i es pot convertir en teixit de fibra de carboni i preimpregnat de fibra de carboni per a la producció de materials compostos de fibra de carboni;
La fibra de carboni es combina amb resina, ceràmica i altres materials per formar materials compostos de fibra de carboni i, finalment, els productes finals requerits per les aplicacions aigües avall s'obtenen mitjançant diversos processos d'emmotllament;
La qualitat i el nivell de rendiment del precursor determinen directament el rendiment final de la fibra de carboni. Per tant, la millora de la qualitat de la solució de filatura i l'optimització dels diferents factors de la formació de fibres precursores s'han convertit en els nodes clau en la preparació de fibres de carboni d'alta qualitat.
Segons "Recerca sobre el procés de producció de precursors de fibra de carboni a base de poliacrilonitril", el procés de filatura inclou principalment tres categories: filatura humida, filatura en sec i filatura en sec i humit. Actualment, el procés de producció de precursors de poliacrilonitril a casa i a l'estranger adopta principalment la filatura humida i la filatura en sec i humit, entre les quals la filatura humida és la més utilitzada.
En la filatura humida, la solució de filatura s'extrueix primer des del forat de la filatura i la solució de filatura entra al bany de coagulació en forma d'un corrent fi. El mecanisme de filatura de la solució de filatura de poliacrilonitril és: hi ha una gran bretxa entre la concentració de DMSO (sulfòxid de dimetil) a la solució de filatura i el bany de coagulació, i la concentració d'aigua al bany de coagulació i la solució de poliacrilonitril també és enorme. escletxa. Sota la interacció de les dues diferències de concentració anteriors, els líquids comencen a difondre's en ambdues direccions i finalment es condensen en filaments mitjançant processos com ara la transferència de massa, la transferència de calor i el moviment d'equilibri de fase.
El DMSO residual, la finesa, la resistència del monofilament, el mòdul, l'allargament, el contingut d'oli i la contracció d'aigua bullint en la producció de seda crua es converteixen en els factors clau que afecten la qualitat de la seda crua. Prenent com a exemple la quantitat residual de DMSO, té un efecte sobre les propietats aparents del precursor, l'estat de la secció transversal i el valor CV del producte final de fibra de carboni. Com menor sigui la quantitat residual de DMSO, major serà el rendiment del producte. En producció, el DMSO s'elimina principalment mitjançant el rentat, de manera que com controlar la temperatura de rentat, el temps, la quantitat d'aigua dessalada i la quantitat de circulació de rentat es converteix en un enllaç important.
Els precursors de poliacrilonitril d'alta qualitat han de tenir les característiques següents: alta densitat, alta cristalinitat, resistència adequada, secció transversal circular, menys defectes físics i, al mateix temps, tenir una superfície llisa i una estructura de nucli de pell uniforme i densa.
El control de la temperatura de carbonització i oxidació és la clau. La carbonització i l'oxidació són un enllaç essencial en la producció de seda crua en productes finals de fibra de carboni. En aquest enllaç, la precisió i el rang de temperatura s'han de controlar amb precisió, en cas contrari, la resistència a la tracció dels productes de fibra de carboni es veurà afectada significativament i fins i tot es produirà un trencament del cable:
Pre-oxidació (200-300 grau): en el procés de pre-oxidació, aplicant una certa tensió en una atmosfera oxidant, el precursor PAN s'oxida lentament i suaument i es formen un gran nombre d'estructures empaquetades en anells. la base de la cadena recta PAN, de manera que pugui suportar el propòsit del processament a més temperatura.
Carbonització (temperatura màxima no inferior a 1000 graus): el procés de carbonització s'ha de dur a terme en una atmosfera inert. En l'etapa inicial de la carbonització, la cadena recta de PAN es trenca i comença la reacció de reticulació; a mesura que la temperatura augmenta gradualment, comença la reacció de descomposició tèrmica, alliberant una gran quantitat de gas molecular petit i es comença a formar l'estructura de grafit; després que la temperatura augmenta encara més, el contingut de carboni augmenta ràpidament i la fibra de carboni comença a formar-se.
Grafitització (temperatura de processament superior a 2000 graus): la grafitització no és un procés necessari per a la producció de fibra de carboni, sinó un enllaç opcional. Si s'espera que la fibra de carboni tingui un mòdul elàstic elevat, cal grafititzar; si s'espera que la fibra de carboni obtingui una gran resistència, no és necessària la grafitització. En el procés de grafitització, l'alta temperatura fa que es formi una estructura de malla de grafit desenvolupada a l'interior de la fibra i l'estructura es normalitzi mitjançant el dibuix per obtenir el producte final.
Les altes barreres tècniques donen als productes aigües avall un alt valor afegit, i el preu dels materials compostos aeroespacials és 200 vegades superior al de la seda en brut. A causa de l'alta dificultat de la preparació de la fibra de carboni i el procés complex, com més aigües avall estiguin els seus productes, més gran serà el valor afegit, especialment els materials compostos de fibra de carboni de gamma alta utilitzats en el camp aeroespacial. Com que els clients aigües avall tenen requisits molt estrictes de fiabilitat i estabilitat, el preu del producte també augmenta geomètricament en comparació amb la fibra de carboni ordinària.
