Ang carbon fiber, na kilala bilang hari ng mga bagong materyales sa ika-21 siglo, ay isang maliwanag na perlas sa mga materyales.Ang carbon fiber (CF) ay isang uri ng inorganic fiber na may higit sa 90% carbon content.Ang mga organikong fibers (viscose based, pitch based, polyacrylonitrile based fibers, atbp.) ay na-pyrolyzed at carbonized sa mataas na temperatura upang bumuo ng carbon backbone.
Bilang isang bagong henerasyon ng reinforced fiber, ang carbon fiber ay may mahusay na mekanikal at kemikal na mga katangian.Ito ay hindi lamang taglay ang mga likas na katangian ng mga materyales ng carbon, ngunit mayroon ding lambot at kakayahang maproseso ng hibla ng tela.Samakatuwid, ito ay malawakang ginagamit sa aerospace, kagamitan sa enerhiya, transportasyon, palakasan at mga larangan ng paglilibang
Banayad na timbang: bilang isang madiskarteng bagong materyal na may mahusay na pagganap, ang density ng carbon fiber ay halos kapareho ng sa magnesium at beryllium, mas mababa sa 1 / 4 ng bakal.Ang paggamit ng carbon fiber composite bilang structural material ay maaaring mabawasan ang structural weight ng 30% - 40%.
Mataas na lakas at mataas na modulus: ang tiyak na lakas ng carbon fiber ay 5 beses na mas mataas kaysa sa bakal at 4 na beses na mas mataas kaysa sa aluminyo haluang metal;Ang tiyak na modulus ay 1.3-12.3 beses ng iba pang mga materyales sa istruktura.
Maliit na koepisyent ng pagpapalawak: ang thermal expansion coefficient ng karamihan sa mga carbon fibers ay negatibo sa temperatura ng silid, 0 sa 200-400 ℃, at 1.5 lamang sa mas mababa sa 1000 ℃ × 10-6 / K, hindi madaling palawakin at deform dahil sa mataas na pagtatrabaho temperatura.
Magandang paglaban sa kaagnasan ng kemikal: ang carbon fiber ay may mataas na purong carbon content, at ang carbon ay isa sa mga pinaka-matatag na elemento ng kemikal, na nagreresulta sa napaka-stable na pagganap nito sa acid at alkali na kapaligiran, na maaaring gawin sa lahat ng uri ng mga kemikal na anti-corrosion na produkto.
Malakas na paglaban sa pagkapagod: ang istraktura ng carbon fiber ay matatag.Ayon sa mga istatistika ng polymer network, pagkatapos ng milyun-milyong cycle ng stress fatigue test, ang lakas ng retention rate ng composite ay 60% pa rin, habang ang steel ay 40%, aluminum ay 30%, at glass fiber reinforced plastic ay 20 lamang. % – 25%.
Ang carbon fiber composite ay ang muling pagpapalakas ng carbon fiber.Kahit na ang carbon fiber ay maaaring gamitin nang mag-isa at gumaganap ng isang partikular na function, ito ay isang malutong na materyal pagkatapos ng lahat.Tanging kapag ito ay pinagsama sa matrix na materyal upang bumuo ng carbon fiber composite maaari itong magbigay ng mas mahusay na paglalaro sa mga mekanikal na katangian nito at magdala ng mas maraming karga.
Maaaring uriin ang mga carbon fiber ayon sa iba't ibang sukat tulad ng uri ng pasimula, paraan ng pagmamanupaktura at pagganap
Ayon sa uri ng precursor: polyacrylonitrile (Pan) based, pitch based (isotropic, mesophase);Viscose base (cellulose base, rayon base).Kabilang sa mga ito, ang polyacrylonitrile (Pan) based na carbon fiber ay sumasakop sa pangunahing posisyon, at ang output nito ay nagkakahalaga ng higit sa 90% ng kabuuang carbon fiber, habang ang viscose based na carbon fiber ay nagkakahalaga ng mas mababa sa 1%.
Ayon sa mga kondisyon ng pagmamanupaktura at pamamaraan: carbon fiber (800-1600 ℃), graphite fiber (2000-3000 ℃), activated carbon fiber, vapor grown carbon fiber.
Ayon sa mga mekanikal na katangian, maaari itong nahahati sa pangkalahatang uri at uri ng mataas na pagganap: ang lakas ng pangkalahatang uri ng carbon fiber ay tungkol sa 1000MPa, at ang modulus ay tungkol sa 100GPa;Ang uri ng mataas na pagganap ay maaaring nahahati sa uri ng mataas na lakas (lakas 2000mPa, modulus 250gpa) at mataas na modelo (modulus 300gpa o higit pa), kung saan ang lakas na higit sa 4000mpa ay tinatawag ding ultra-high strength type, at ang modulus na higit sa 450gpa ay tinatawag na ultra-high model.
Ayon sa laki ng hila, maaari itong nahahati sa maliit na hila at malaking hila: ang maliit na hibla ng carbon hibla ay pangunahing 1K, 3K at 6K sa paunang yugto, at unti-unting nabuo sa 12K at 24K, na pangunahing ginagamit sa aerospace, palakasan at mga larangan ng paglilibang.Ang mga carbon fiber na higit sa 48K ay karaniwang tinatawag na malalaking tow carbon fibers, kabilang ang 48K, 60K, 80K, atbp., na pangunahing ginagamit sa mga industriyal na larangan.
Ang tensile strength at tensile modulus ay dalawang pangunahing index upang suriin ang mga katangian ng carbon fiber.Batay dito, ipinahayag ng Tsina ang pambansang pamantayan para sa carbon fiber na nakabatay sa PAN (GB / t26752-2011) noong 2011. Kasabay nito, dahil sa ganap na nangungunang bentahe ng Toray sa pandaigdigang industriya ng carbon fiber, karamihan sa mga domestic manufacturer ay gumagamit din ng pamantayan ng pag-uuri ng Toray bilang isang sanggunian.
1.2 mataas na hadlang ay nagdudulot ng mataas na dagdag na halaga.Ang pagpapabuti ng proseso at pagsasakatuparan ng mass production ay maaaring makabuluhang bawasan ang gastos at dagdagan ang kahusayan
1.2.1 ang teknikal na hadlang ng industriya ay mataas, ang precursor production ay ang core, at ang carbonization at oxidation ang susi
Ang proseso ng paggawa ng carbon fiber ay kumplikado, na nangangailangan ng mataas na kagamitan at teknolohiya.Ang kontrol ng katumpakan, temperatura at oras ng bawat link ay lubos na makakaapekto sa kalidad ng panghuling produkto.Ang polyacrylonitrile carbon fiber ay naging pinakamalawak na ginagamit at pinakamataas na output ng carbon fiber sa kasalukuyan dahil sa medyo simpleng proseso ng paghahanda, mababang gastos sa produksyon at maginhawang pagtatapon ng tatlong basura.Ang pangunahing hilaw na materyal na propane ay maaaring gawin mula sa krudo, at ang PAN carbon fiber industry chain ay may kasamang kumpletong proseso ng pagmamanupaktura mula sa pangunahing enerhiya hanggang sa terminal na aplikasyon.
Matapos maihanda ang propane mula sa krudo, ang propylene ay nakuha sa pamamagitan ng selective catalytic dehydrogenation (PDH) ng propane;
Ang Acrylonitrile ay nakuha sa pamamagitan ng ammoxidation ng propylene.Ang polyacrylonitrile (Pan) precursor ay nakuha sa pamamagitan ng polymerization at spinning ng acrylonitrile;
Ang polyacrylonitrile ay pre oxidized, carbonized sa mababa at mataas na temperatura upang makakuha ng carbon fiber, na maaaring gawin sa carbon fiber fabric at carbon fiber prepreg para sa produksyon ng mga carbon fiber composites;
Ang carbon fiber ay pinagsama sa resin, ceramics at iba pang mga materyales upang bumuo ng carbon fiber composites.Sa wakas, ang mga huling produkto para sa mga aplikasyon sa ibaba ng agos ay nakuha sa pamamagitan ng iba't ibang proseso ng paghubog;
Direktang tinutukoy ng kalidad at antas ng pagganap ng precursor ang panghuling pagganap ng carbon fiber.Samakatuwid, ang pagpapabuti ng kalidad ng spinning solution at pag-optimize ng mga salik ng precursor forming ay nagiging mga pangunahing punto ng paghahanda ng mataas na kalidad na carbon fiber.
Ayon sa "Research sa proseso ng produksyon ng polyacrylonitrile based carbon fiber precursor", ang proseso ng pag-ikot ay pangunahing kinabibilangan ng tatlong kategorya: wet spinning, dry spinning at dry wet spinning.Sa kasalukuyan, ang wet spinning at dry wet spinning ay pangunahing ginagamit upang makabuo ng polyacrylonitrile precursor sa bahay at sa ibang bansa, kung saan ang wet spinning ay ang pinakamalawak na ginagamit.
Ang wet spinning ay unang naglalabas ng spinning solution mula sa spinneret hole, at ang spinning solution ay pumapasok sa coagulation bath sa anyo ng maliit na daloy.Ang mekanismo ng pag-ikot ng polyacrylonitrile spinning solution ay mayroong malaking agwat sa pagitan ng konsentrasyon ng DMSO sa spinning solution at coagulation bath, at mayroon ding malaking agwat sa pagitan ng konsentrasyon ng tubig sa coagulation bath at polyacrylonitrile solution.Sa ilalim ng pakikipag-ugnayan ng dalawang pagkakaiba sa konsentrasyon sa itaas, ang likido ay nagsisimulang kumalat sa dalawang direksyon, at sa wakas ay nag-condenses sa mga filament sa pamamagitan ng mass transfer, heat transfer, phase equilibrium movement at iba pang mga proseso.
Sa paggawa ng precursor, ang natitirang halaga ng DMSO, laki ng hibla, lakas ng monofilament, modulus, pagpahaba, nilalaman ng langis at pag-urong ng tubig na kumukulo ay naging mga pangunahing salik na nakakaapekto sa kalidad ng precursor.Kung isinasaalang-alang ang natitirang halaga ng DMSO bilang isang halimbawa, ito ay may impluwensya sa mga nakikitang katangian ng precursor, cross-section state at CV value ng panghuling produkto ng carbon fiber.Kung mas mababa ang natitirang halaga ng DMSO, mas mataas ang pagganap ng produkto.Sa produksyon, ang DMSO ay pangunahing inalis sa pamamagitan ng paghuhugas, kaya kung paano kontrolin ang temperatura ng paghuhugas, oras, ang dami ng desalted na tubig at ang dami ng washing cycle ay nagiging isang mahalagang link.
Ang mataas na kalidad na polyacrylonitrile precursor ay dapat magkaroon ng mga sumusunod na katangian: mataas na density, mataas na crystallinity, naaangkop na lakas, circular cross section, mas kaunting mga pisikal na depekto, makinis na ibabaw at pare-pareho at siksik na istraktura ng core ng balat.
Ang kontrol sa temperatura ng carbonization at oksihenasyon ay ang susi.Ang carbonization at oxidation ay isang mahalagang hakbang sa paggawa ng mga panghuling produkto ng carbon fiber mula sa precursor.Sa hakbang na ito, ang katumpakan at hanay ng temperatura ay dapat na tumpak na kontrolin, kung hindi, ang makunat na lakas ng mga produktong carbon fiber ay makabuluhang maaapektuhan, at kahit na humantong sa pagkasira ng wire
Preoxidation (200-300 ℃): sa proseso ng preoxidation, ang PAN precursor ay dahan-dahan at bahagyang na-oxidized sa pamamagitan ng paglalapat ng isang tiyak na pag-igting sa oxidizing na kapaligiran, na bumubuo ng isang malaking bilang ng mga istruktura ng singsing sa batayan ng pan straight chain, upang makamit ang layunin na makayanan ang mas mataas na temperatura ng paggamot.
Carbonization (maximum na temperatura na hindi mas mababa sa 1000 ℃): ang proseso ng carbonization ay dapat isagawa sa hindi gumagalaw na kapaligiran.Sa unang bahagi ng carbonization, ang pan chain break at ang crosslinking reaksyon ay nagsisimula;Sa pagtaas ng temperatura, ang reaksyon ng thermal decomposition ay nagsisimulang maglabas ng isang malaking bilang ng mga maliliit na molekula na gas, at ang istraktura ng grapayt ay nagsisimulang mabuo;Kapag tumaas pa ang temperatura, mabilis na tumaas ang nilalaman ng carbon at nagsimulang mabuo ang carbon fiber.
Graphitization (temperatura ng paggamot sa itaas 2000 ℃): Ang graphitization ay hindi isang kinakailangang proseso para sa produksyon ng carbon fiber, ngunit isang opsyonal na proseso.Kung inaasahan ang mataas na elastic modulus ng carbon fiber, kailangan ang graphitization;Kung inaasahan ang mataas na lakas ng carbon fiber, hindi kinakailangan ang graphitization.Sa proseso ng graphitization, ang mataas na temperatura ay gumagawa ng hibla na bumubuo ng isang binuo na istraktura ng graphite mesh, at ang istraktura ay isinama sa pamamagitan ng pagguhit upang makuha ang huling produkto.
Ang mga mataas na teknikal na hadlang ay nagbibigay sa mga produkto sa ibaba ng agos ng mataas na dagdag na halaga, at ang presyo ng mga composite ng aviation ay 200 beses na mas mataas kaysa sa hilaw na seda.Dahil sa mataas na kahirapan ng paghahanda ng carbon fiber at kumplikadong proseso, mas pababa ang mga produkto, mas mataas ang idinagdag na halaga.Lalo na para sa mga high-end na carbon fiber composites na ginagamit sa aerospace field, dahil ang mga customer sa ibaba ng agos ay may napakahigpit na mga kinakailangan sa pagiging maaasahan at katatagan nito, ang presyo ng produkto ay nagpapakita rin ng isang geometric na multiple growth kumpara sa ordinaryong carbon fiber.
Oras ng post: Hul-22-2021