Ogljikova vlakna, znana kot kralj novih materialov v 21. stoletju, so svetel biser med materiali.Ogljikova vlakna (CF) so neke vrste anorganska vlakna z več kot 90 % vsebnostjo ogljika.Organska vlakna (na osnovi viskoze, vlakna na osnovi smole, vlakna na osnovi poliakrilonitrila itd.) so pirolizirana in karbonizirana pri visoki temperaturi, da tvorijo ogljikovo ogrodje.
Kot nova generacija ojačanih vlaken imajo ogljikova vlakna odlične mehanske in kemične lastnosti.Ne samo, da ima inherentne značilnosti ogljikovih materialov, ampak ima tudi mehkobo in sposobnost obdelave tekstilnih vlaken.Zato se pogosto uporablja v letalstvu, energetski opremi, transportu, športu in prosti čas
Majhna teža: kot strateški nov material z odlično zmogljivostjo je gostota ogljikovih vlaken skoraj enaka gostoti magnezija in berilija, manj kot 1/4 gostote jekla.Uporaba kompozita iz ogljikovih vlaken kot strukturnega materiala lahko zmanjša strukturno težo za 30 % – 40 %.
Visoka trdnost in visok modul: specifična trdnost ogljikovih vlaken je 5-krat večja kot pri jeklu in 4-krat večja kot pri aluminijevih zlitinah;Specifični modul je 1,3-12,3-krat večji od drugih strukturnih materialov.
Majhen koeficient razteznosti: koeficient toplotnega raztezanja večine ogljikovih vlaken je negativen pri sobni temperaturi, 0 pri 200-400 ℃ in samo 1,5 pri manj kot 1000 ℃ × 10-6 / K, zaradi visoke delovne obremenitve ga ni enostavno razširiti in deformirati temperatura.
Dobra kemična odpornost proti koroziji: ogljikova vlakna imajo visoko vsebnost čistega ogljika, ogljik pa je eden najstabilnejših kemičnih elementov, kar ima za posledico njegovo zelo stabilno delovanje v kislem in alkalnem okolju, ki ga je mogoče pretvoriti v vse vrste kemičnih protikorozijskih izdelkov.
Močna odpornost proti utrujenosti: struktura ogljikovih vlaken je stabilna.Po statističnih podatkih polimerne mreže je po milijonih ciklov preskusa utrujenosti ob obremenitvi stopnja zadrževanja trdnosti kompozita še vedno 60 %, medtem ko je jekla 40 %, aluminija 30 %, plastike, ojačane s steklenimi vlakni, pa le 20 %. % – 25 %.
Kompozit iz ogljikovih vlaken je ponovna ojačitev ogljikovih vlaken.Čeprav se ogljikova vlakna lahko uporabljajo samostojno in opravljajo določeno funkcijo, so kljub vsemu krhek material.Šele ko je kombiniran z matričnim materialom, da nastane kompozit iz ogljikovih vlaken, lahko zagotovi boljšo zračnost svojim mehanskim lastnostim in prenese več obremenitev.
Ogljikova vlakna lahko razvrstimo glede na različne dimenzije, kot so vrsta predhodnika, način izdelave in zmogljivost
Glede na vrsto prekurzorja: na osnovi poliakrilonitrila (Pan), na osnovi smole (izotropne, mezofazne);Viskozna osnova (celulozna osnova, rajon).Med njimi zavzemajo ogljikova vlakna na osnovi poliakrilonitrila (Pan) glavni položaj, njihova proizvodnja pa predstavlja več kot 90 % celotne količine ogljikovih vlaken, medtem ko ogljikova vlakna na osnovi viskoze predstavljajo manj kot 1 %.
Glede na pogoje in metode izdelave: ogljikova vlakna (800-1600 ℃), grafitna vlakna (2000-3000 ℃), aktivirana ogljikova vlakna, ogljikova vlakna, gojena s paro.
Glede na mehanske lastnosti ga lahko razdelimo na splošni tip in visoko zmogljiv tip: trdnost ogljikovih vlaken splošnega tipa je približno 1000MPa, modul pa približno 100GPa;Tip visoke zmogljivosti lahko razdelimo na tip visoke trdnosti (trdnost 2000 mPa, modul 250 gpa) in visok model (modul 300 gpa ali več), med katerimi se trdnost, večja od 4000 mpa, imenuje tudi tip ultra visoke trdnosti, modul, večji od 450 gpa, imenovan ultravisok model.
Glede na velikost vleke ga lahko razdelimo na majhno vleko in veliko vleko: majhna vleka iz ogljikovih vlaken je v začetni fazi večinoma 1K, 3K in 6K, postopoma pa se je razvila v 12K in 24K, ki se uporablja predvsem v vesolju, športu in igrišča za prosti čas.Ogljikova vlakna nad 48K se običajno imenujejo velika vlečna ogljikova vlakna, vključno s 48K, 60K, 80K itd., ki se uporabljajo predvsem na industrijskih področjih.
Natezna trdnost in natezni modul sta dva glavna indeksa za ocenjevanje lastnosti ogljikovih vlaken.Na podlagi tega je Kitajska leta 2011 razglasila nacionalni standard za ogljikova vlakna na osnovi PAN (GB / t26752-2011). Hkrati zaradi Torayjeve absolutne vodilne prednosti v svetovni industriji ogljikovih vlaken večina domačih proizvajalcev sprejme tudi klasifikacijski standard Toray. kot referenca.
1.2 visoke ovire prinašajo visoko dodano vrednost.Izboljšanje procesa in uresničevanje množične proizvodnje lahko znatno zmanjša stroške in poveča učinkovitost
1.2.1 tehnična ovira industrije je visoka, proizvodnja predhodnih sestavin je jedro, karbonizacija in oksidacija pa ključna
Proizvodni proces ogljikovih vlaken je kompleksen, kar zahteva visoko opremo in tehnologijo.Nadzor natančnosti, temperature in časa vsake povezave bo močno vplival na kakovost končnega izdelka.Poliakrilonitrilna ogljikova vlakna so trenutno postala najpogosteje uporabljena ogljikova vlakna z največjim izkoristkom zaradi relativno enostavnega postopka priprave, nizkih proizvodnih stroškov in priročnega odlaganja treh odpadkov.Glavna surovina propan je lahko izdelana iz surove nafte, veriga industrije ogljikovih vlaken PAN pa vključuje celoten proizvodni proces od primarne energije do terminalske uporabe.
Potem ko je bil propan pripravljen iz surove nafte, je bil propilen pridobljen s selektivno katalitsko dehidrogenacijo (PDH) propana;
Akrilonitril je bil pridobljen z amoksidacijo propilena.Prekurzor poliakrilonitrila (Pan) je bil pridobljen s polimerizacijo in predenjem akrilonitrila;
Poliakrilonitril je predhodno oksidiran, karboniziran pri nizki in visoki temperaturi, da dobimo ogljikova vlakna, ki jih je mogoče izdelati v tkanino iz ogljikovih vlaken in prepreg iz ogljikovih vlaken za proizvodnjo kompozitov iz ogljikovih vlaken;
Ogljikova vlakna se kombinirajo s smolo, keramiko in drugimi materiali, da nastanejo kompoziti iz ogljikovih vlaken.Končni izdelki za nadaljnje aplikacije so pridobljeni z različnimi postopki oblikovanja;
Kakovost in stopnja zmogljivosti predhodnika neposredno določata končno zmogljivost ogljikovih vlaken.Zato sta izboljšanje kakovosti predilne raztopine in optimizacija dejavnikov tvorbe prekurzorja ključni točki priprave visokokakovostnih ogljikovih vlaken.
Glede na "Raziskavo proizvodnega procesa prekurzorja ogljikovih vlaken na osnovi poliakrilonitrila" proces predenja v glavnem vključuje tri kategorije: mokro predenje, suho predenje in suho mokro predenje.Trenutno se za proizvodnjo prekurzorja poliakrilonitrila doma in v tujini večinoma uporabljata mokro predenje in suho predenje, med katerimi se najbolj uporablja mokro predenje.
Mokro predenje najprej iztisne predilno raztopino iz luknje predilnice in predilna raztopina vstopi v koagulacijsko kopel v obliki majhnega toka.Mehanizem vrtenja predilne raztopine poliakrilonitrila je velik razkorak med koncentracijo DMSO v predilni raztopini in koagulacijski kopeli, velika vrzel pa je tudi med koncentracijo vode v koagulacijski kopeli in raztopino poliakrilonitrila.Pod medsebojnim delovanjem zgornjih dveh koncentracijskih razlik začne tekočina difundirati v dve smeri in končno kondenzira v filamente s prenosom mase, prenosom toplote, gibanjem faznega ravnovesja in drugimi procesi.
Pri proizvodnji prekurzorja postanejo preostala količina DMSO, velikost vlaken, trdnost monofilamenta, modul, raztezek, vsebnost olja in krčenje v vreli vodi ključni dejavniki, ki vplivajo na kakovost prekurzorja.Če za primer vzamemo preostalo količino DMSO, ta vpliva na navidezne lastnosti prekurzorja, stanje preseka in vrednost CV končnega izdelka iz ogljikovih vlaken.Nižja kot je preostala količina DMSO, večja je učinkovitost izdelka.V proizvodnji se DMSO v glavnem odstrani s pranjem, zato postane pomembna povezava, kako nadzorovati temperaturo pranja, čas, količino razsoljene vode in količino cikla pranja.
Visokokakovosten prekurzor poliakrilonitrila mora imeti naslednje značilnosti: visoko gostoto, visoko kristaliničnost, primerno trdnost, krožen prerez, manj fizičnih napak, gladko površino ter enotno in gosto strukturo jedra lupine.
Nadzor temperature pri karbonizaciji in oksidaciji je ključnega pomena.Karbonizacija in oksidacija sta bistvena koraka v proizvodnji končnih izdelkov iz ogljikovih vlaken iz predhodnika.V tem koraku je treba natančno nadzorovati natančnost in razpon temperature, sicer bo natezna trdnost izdelkov iz ogljikovih vlaken znatno prizadeta in celo povzroči prelom žice
Predoksidacija (200-300 ℃): v procesu predoksidacije se prekurzor PAN počasi in blago oksidira z uporabo določene napetosti v oksidacijski atmosferi, pri čemer se tvori veliko število obročastih struktur na podlagi ravne verige pan, tako da doseči namen vzdržljivosti obdelave pri višjih temperaturah.
Karbonizacija (najvišja temperatura ni nižja od 1000 ℃): postopek karbonizacije je treba izvesti v inertni atmosferi.V zgodnji fazi karbonizacije se pan veriga prekine in začne se reakcija zamreženja;S povišanjem temperature začne reakcija toplotne razgradnje sproščati veliko število plinov z majhnimi molekulami in začne se oblikovati struktura grafita;Ko se je temperatura še povečala, se je vsebnost ogljika hitro povečala in začela so se oblikovati ogljikova vlakna.
Grafitizacija (temperatura obdelave nad 2000 ℃): grafitizacija ni nujen postopek za proizvodnjo ogljikovih vlaken, ampak neobvezen postopek.Če se pričakuje visok modul elastičnosti ogljikovih vlaken, je potrebna grafitizacija;Če pričakujemo visoko trdnost ogljikovih vlaken, grafitizacija ni potrebna.V procesu grafitizacije zaradi visoke temperature vlakna oblikujejo razvito grafitno mrežasto strukturo, struktura pa se integrira z vlečenjem, da dobimo končni izdelek.
Visoke tehnične ovire dajejo nadaljnjim izdelkom visoko dodano vrednost, cena letalskih kompozitov pa je 200-krat višja od cene surove svile.Zaradi velike težavnosti priprave ogljikovih vlaken in zapletenega procesa je dodana vrednost večja kot so izdelki na nižji stopnji.Zlasti za vrhunske kompozite iz ogljikovih vlaken, ki se uporabljajo v vesoljskem področju, ker imajo kupci na nižji stopnji zelo stroge zahteve glede njihove zanesljivosti in stabilnosti, cena izdelka kaže tudi geometrijsko večkratno rast v primerjavi z navadnimi ogljikovimi vlakni.
Čas objave: 22. julij 2021