Вуглецеве волокно - матеріал чорне золото, з високими промисловими бар'єрами та високою доданою вартістю продукту
1. Вуглецеве волокно є жорстким і гнучким і широко використовується в подальших додатках
Історія розвитку матеріалу тісно пов’язана з історією розвитку людства, і нові матеріали є потужною рушійною силою для переходу людства від «природного царства» до «свободи». Матеріали зазвичай визначають як речовини, які використовуються для виготовлення корисних предметів, а здатність людини розпізнавати й використовувати матеріали безпосередньо визначає соціальну форму та рівень життя людини. У наш час матеріали, енергія та інформація стали трьома опорами суспільної цивілізації та національної економіки, серед них матеріали є матеріальною основою і технологічним лідером розвитку науки і техніки.
Протягом усієї історії розвитку матеріалу його можна узагальнити на шість періодів розвитку кам’яних знарядь/бронзових знарядь/залізних знарядь/сталі/кремнію/нових матеріалів з точки зору часу. Серед них, з відкриттям нової технологічної революції в другій половині 20 століття, нові матеріали стали поштовхом для розвитку різних високотехнологічних галузей. Наприклад, комп’ютерна техніка спирається на промислове виробництво напівпровідникових матеріалів, а аерокосмічна промисловість потребує великої кількості високотемпературних і високоміцних конструкційних матеріалів. Це узгоджується з ним, і сучасна оптоволоконна зв'язок заснована на оптичному волокні з низьким споживанням.
Вуглецеве волокно, відоме як король нових матеріалів у 21 столітті, є блискучою перлиною в короні матеріалу. Вуглецеве волокно (скорочено CF) - це неорганічне волокно з вмістом вуглецю понад 90 відсотків. Його готують шляхом розтріскування та карбонізації органічних волокон (волокон на основі віскози, волокна на основі смоли, поліакрилонітрилу тощо) у високотемпературному середовищі з утворенням вуглецевого механізму. Як нове покоління армуючих волокон, вуглецеві волокна мають чудові механічні та хімічні властивості, мають не тільки властивості вуглецевих матеріалів, але й мають м’яку оброблюваність текстильних волокон, тому вони широко використовуються в аерокосмічній, енергетичному обладнанні, транспорті, спорт. Відпочинок та інші сфери:
Невелика вага: як новий стратегічний матеріал з відмінними характеристиками, щільність вуглецевого волокна в основному така ж, як у магнію та берилію, і вона становить менше ніж 1/4 щільності сталі. Використання композитного матеріалу з вуглецевого волокна як конструкційного матеріалу може зменшити масу конструкції на 30 відсотків -40 відсотків.
Висока міцність і високий модуль: питома міцність вуглецевого волокна в 5 разів вище, ніж у сталі і в 4 рази вище, ніж у алюмінієвого сплаву; питомий модуль у 1.3-12.3 рази більше, ніж у інших конструкційних матеріалів.
Невеликий коефіцієнт розширення: коефіцієнт теплового розширення більшості вуглецевих волокон негативний при кімнатній температурі, 0 при 200-400 градусах і лише 1,5 × 10-6 /K, коли він менше 1000 градусів, тому його нелегко розширювати та деформувати через високу робочу температуру.
Хороша стійкість до хімічної корозії: вуглецеве волокно має високий вміст чистого вуглецю, а вуглець є одним з найстабільніших хімічних елементів, що робить його дуже стабільним у кислотних і лужних середовищах, і з нього можна виготовляти різні хімічні антикорозійні продукти.
Сильна стійкість до втоми: структура вуглецевого волокна стабільна. Згідно зі статистикою полімерної мережі, рівень збереження міцності композитного матеріалу все ще становить 60 відсотків після мільйонів циклів напруженої втоми, порівняно з 40 відсотками для сталі, 30 відсотків для алюмінію і 30 відсотків для пластику, армованого скловолокном. Тоді лише 20 відсотків -25 відсотків .
Вуглецеві композиційні матеріали повторно зміцнюються на основі вуглеволокна. Хоча вуглецеве волокно можна використовувати окремо і виконувати певні функції, все-таки це крихкий матеріал. Тільки коли він поєднується з матеріалом матриці для утворення композитного матеріалу з вуглецевого волокна, він може проявляти кращі механічні властивості та витримувати більше навантажень.
Вуглецеві волокна можна класифікувати за різними розмірами, такими як тип попередника, метод виробництва та продуктивність:
За типом шовку-сирцю: на основі поліакрилонітрилу (ПАН), на основі смоли (ізотропний, мезофазний); на основі віскози (на основі целюлози, на основі віскози). Серед них вуглецеве волокно на основі поліакрилонітрилу (PAN) займає основне місце, причому на виробництво припадає понад 90 відсотків загального обсягу вуглецевого волокна, а вуглецеве волокно на основі віскози становить менше 1 відсотка.
Класифікація за умовами та методами виробництва: вуглецеве волокно (800-1600 ступінь ), графітове волокно (2000-3000 ступінь ), волокно з активованого вугілля, вуглецеве волокно, вирощене парою.
За механічними властивостями його можна розділити на універсальний і високопродуктивний: вуглецеве волокно загального призначення має міцність 1000 МПа і модуль пружності близько 100 ГПа;), в якому також називають міцність більше 4000 МПа. надвисокої міцності, а модуль пружності більше 450 ГПа називається надвисокою моделлю.
За розміром буксирування його можна розділити на маленьке буксирування та велике буксирування: вуглецеве волокно малого буксирування в основному 1K, 3K, 6K на початковому етапі і поступово розвивається в 12K та 24K, яке в основному використовується в аерокосмічній галузі, майданчики для спорту та відпочинку. Вуглецеві волокна вище 48K зазвичай називають великими вуглевими волокнами, включаючи 48K, 60K, 80K тощо, які в основному використовуються в промислових галузях.
Міцність при розтягуванні та модуль розтягування є двома найважливішими показниками для вимірювання продуктивності вуглецевого волокна. Виходячи з цього, моя країна оприлюднила «Національний стандарт для вуглецевого волокна на основі поліакрилонітрилу (PAN) (GB/T26752-2011)» у 2011 році. Водночас, оскільки японська Toray має абсолютну провідну перевагу в глобальному У промисловості з вуглецевого волокна більшість вітчизняних виробників також приймають стандарт класифікації японського Toray як еталон.
2. Високі технічні бар'єри в промисловості, виробництво шовку-сирцю є ядром, карбонізація та окислення є ключовим
Процес виробництва вуглецевого волокна є складним і вимагає надзвичайно високого обладнання та технологій. Контроль точності, температури та часу кожної ланки сильно вплине на якість кінцевого продукту. Поліакрилонітрильне вуглецеве волокно стало вуглецевим волокном з найширшою сферою застосування та найвищим виходом на цьому етапі завдяки його відносно простому процесу приготування, низькій вартості виробництва та зручній утилізації трьох відходів. Його основну сировину, пропан, можна отримати з сирої нафти, а ланцюг промисловості з поліакрилонітрилу вуглецевого волокна включає повний виробничий процес від первинної енергії до кінцевого використання.
Після отримання пропану з сирої нафти пропан можна отримати шляхом селективного каталітичного дегідрування (PDH);
Акрилонітрил отримують після аммооксидування пропілену, а попередник поліакрилонітрилу (ПАН) отримують після полімеризації та прядіння акрилонітрилу;
Поліакрилонітрил попередньо окислюється, карбонізується при низькій температурі та високій температурі для отримання вуглецевого волокна, і може бути виготовлений з вуглецевого волокна та препрегу з вуглеволокна для виробництва композиційних матеріалів з вуглецевого волокна;
Вуглецеве волокно поєднується зі смолою, керамікою та іншими матеріалами для утворення композиційних матеріалів з вуглеволокна, і, нарешті, кінцеві продукти, необхідні для подальшого застосування, отримують різними процесами формування;
Якість і рівень продуктивності попередника безпосередньо визначають кінцеву продуктивність вуглецевого волокна. Тому підвищення якості прядильного розчину та оптимізація різних факторів утворення волокна-попередника стали ключовими вузлами в одержанні високоякісних вуглецевих волокон.
Відповідно до «Дослідження процесу виробництва попередника вуглецевого волокна на основі поліакрилонітрилу», процес прядіння в основному включає три категорії: вологе прядіння, сухе прядіння та сухе-мокре прядіння. В даний час у процесі виробництва попередників поліакрилонітрилу в країні та за кордоном в основному використовується вологе прядіння та сухо-мокре прядіння, серед яких найбільш широко використовується вологе прядіння.
При мокрому пряденні прядильний розчин спочатку видавлюється з отвору фільєри, а прядильний розчин у вигляді тонкого струменя надходить у коагуляційну ванну. Механізм прядильного розчину поліакрилонітрилу полягає в тому, що існує великий розрив між концентрацією ДМСО (диметилсульфоксиду) у прядильному розчині та коагуляційній ванні, а концентрація води в коагуляційній ванні та розчині поліакрилонітрилу також величезна. розрив. При взаємодії двох вищезгаданих різниць концентрацій рідини починають дифундувати в обох напрямках і, нарешті, конденсуються в нитки через такі процеси, як масообмін, теплообмін і рух фазової рівноваги.
Ключовими факторами, що впливають на якість шовку-сирцю, стають залишковий ДМСО, тонкість, міцність моноволокна, модуль, подовження, вміст олії та усадка окропом при виробництві шовку-сирцю. Взявши за приклад залишкову кількість ДМСО, це впливає на видимі властивості попередника, стан поперечного перерізу та значення CV кінцевого продукту з вуглецевого волокна. Чим менше залишкова кількість ДМСО, тим вище продуктивність продукту. У виробництві ДМСО в основному видаляється шляхом промивання, тому важливою ланкою стає те, як контролювати температуру прання, час, кількість опрісненої води та кількість циркуляції прання.
Високоякісні попередники поліакрилонітрилу повинні мати такі характеристики: високу щільність, високу кристалічність, відповідну міцність, круглий поперечний переріз, менше фізичних дефектів і водночас мати гладку поверхню та однорідну і щільну структуру шкірного ядра.
Контроль температури карбонізації та окислення є ключовим. Карбонізація та окислення є важливою ланкою у виробництві шовку-сирцю в кінцеву продукцію з вуглецевого волокна. У цьому ланці потрібно точно контролювати точність і діапазон температури, інакше буде суттєво вплинути на міцність на розрив виробів з вуглеволокна, і навіть станеться обрив дроту:
Попереднє окислення (200-300 ступінь): у процесі попереднього окислення, прикладаючи певну напругу в окислювальній атмосфері, попередник PAN повільно і м’яко окислюється, і на ньому утворюється велика кількість кільцевих структур. основа прямолінійного ланцюга PAN, щоб він витримував мету обробки при більш високих температурах.
Карбонізація (максимальна температура не нижче 1000 градусів): Процес карбонізації необхідно проводити в інертній атмосфері. На ранній стадії карбонізації прямий ланцюг ПАН розривається, і починається реакція зшивання; у міру поступового підвищення температури починається реакція термічного розкладання, при якій виділяється велика кількість дрібномолекулярного газу, і починає формуватися структура графіту; після подальшого підвищення температури вміст вуглецю швидко зростає, і починає утворюватися вуглецеве волокно.
Графітизація (температура обробки вище 2000 градусів): Графітизація не є необхідним процесом для виробництва вуглецевого волокна, а є необов'язковою ланкою. Якщо очікується, що вуглецеве волокно має високий модуль пружності, необхідна графітизація; якщо очікується, що вуглецеве волокно отримає високу міцність, графітизація не потрібна. У процесі графітизації висока температура викликає утворення розвиненої графітової сітчастої структури всередині волокна, і структура нормалізується шляхом волочіння для отримання кінцевого продукту.
Високі технічні бар’єри забезпечують високу додану вартість продукції, що випускається, а ціна на аерокосмічні композитні матеріали в 200 разів вища, ніж на шовк-сирець. Через високу складність приготування вуглецевого волокна та складний процес, чим більше його продуктів, тим вище додана вартість, особливо високоякісні композитні матеріали з вуглецевого волокна, які використовуються в аерокосмічній галузі. Оскільки перед покупцями висуваються дуже жорсткі вимоги до надійності та стабільності, ціна продукту також геометрично збільшена в порівнянні зі звичайним вуглецевим волокном.
