La fibra de carboni, coneguda com el rei dels nous materials al segle XXI, és una perla brillant en els materials.La fibra de carboni (CF) és un tipus de fibra inorgànica amb més del 90% de contingut de carboni.Les fibres orgàniques (a base de viscosa, a base de brea, fibres a base de poliacrilonitril, etc.) es pirolitzen i carbonitzen a alta temperatura per formar una columna vertebral de carboni.
Com a nova generació de fibra reforçada, la fibra de carboni té excel·lents propietats mecàniques i químiques.No només té les característiques inherents als materials de carboni, sinó que també té la suavitat i processabilitat de la fibra tèxtil.Per tant, s'utilitza àmpliament en camps aeroespacials, energètics, de transport, esports i d'oci
Pes lleuger: com a nou material estratègic amb un rendiment excel·lent, la densitat de la fibra de carboni és gairebé la mateixa que la del magnesi i el beril·li, menys d'1/4 de la de l'acer.L'ús del compost de fibra de carboni com a material estructural pot reduir el pes estructural entre un 30% i un 40%.
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 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 ℃ i només 1,5 a menys de 1000 ℃ × 10-6 / K, no és fàcil d'expandir i deformar-se a causa de l'alt treball. temperatura.
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, el que resulta en el seu rendiment molt estable en ambient àcid i àlcali, que es pot convertir en tot tipus de productes químics anticorrosió.
Forta resistència a la fatiga: l'estructura de la fibra de carboni és estable.Segons les estadístiques de la xarxa de polímers, després de milions de cicles de prova de fatiga, la taxa de retenció de resistència del compost encara és del 60%, mentre que la de l'acer és del 40%, l'alumini és del 30% i el plàstic reforçat amb fibra de vidre és de només 20%. % - 25%.
El compost de fibra de carboni és el reforç de la fibra de carboni.Tot i que la fibra de carboni es pot utilitzar sola i té una funció específica, després de tot és un material trencadís.Només quan es combina amb el material de la matriu per formar un compost de fibra de carboni pot donar un millor joc a les seves 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 precursor: a base de poliacrilonitril (Pan), a base de breu (isòtrop, mesofase);Base viscosa (base cel·lulosa, base raió).Entre ells, la fibra de carboni basada en poliacrilonitril (Pan) ocupa la posició principal i la seva producció representa més del 90% de la fibra de carboni total, mentre que la fibra de carboni basada en viscosa representa menys de l'1%.
Segons les condicions i mètodes de fabricació: fibra de carboni (800-1600 ℃), fibra de grafit (2000-3000 ℃), fibra de carbó activat, fibra de carboni cultivada en vapor.
Segons les propietats mecàniques, es pot dividir en tipus general i tipus d'alt rendiment: la força de la fibra de carboni de tipus general és d'uns 1000MPa i el mòdul és d'uns 100GPa;El tipus d'alt rendiment es pot dividir en tipus d'alta resistència (força 2000mPa, mòdul 250gpa) i model alt (mòdul 300gpa o més), entre els quals la força superior a 4000mpa també s'anomena tipus ultra-alta resistència, i el mòdul superior a 450gpa és anomenat 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 i 6K en l'etapa inicial, i es va desenvolupar gradualment en 12K i 24K, que s'utilitza principalment en aeroespacials, esports. i camps 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 dos índexs principals per avaluar les propietats de la fibra de carboni.A partir d'això, la Xina va promulgar l'estàndard nacional per a la fibra de carboni basada en PAN (GB / t26752-2011) l'any 2011. Al mateix temps, a causa de l'avantatge absolut absolut de Toray en la indústria mundial de la fibra de carboni, la majoria dels fabricants nacionals també adopten l'estàndard de classificació de Toray. com a referència.
1.2 Les barreres altes aporten un alt valor afegit.Millorar el procés i realitzar la producció en massa pot reduir significativament els costos i augmentar l'eficiència
1.2.1 la barrera tècnica de la indústria és alta, la producció de precursors és el nucli i la carbonització i l'oxidació són la clau
El procés de producció de fibra de carboni és complex, que requereix un alt equip i tecnologia.El control de precisió, temperatura i 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 més utilitzada i la de major producció actualment a causa del seu procés de preparació relativament senzill, el seu baix cost de producció i l'eliminació còmoda de tres residus.La principal matèria primera propà es pot fer a partir de petroli cru i la cadena de la indústria de la fibra de carboni PAN inclou un procés de fabricació complet des de l'energia primària fins a l'aplicació terminal.
Després de preparar propà a partir de petroli cru, es va obtenir propilè mitjançant la deshidrogenació catalítica selectiva (PDH) del propà;
L'acrilonitril es va obtenir per amoxidació de propilè.El precursor de poliacrilonitril (Pan) es va obtenir per polimerització i filatura d'acrilonitril;
El poliacrilonitril s'oxida prèviament, es carbonitza a baixa i alta temperatura per obtenir fibra de carboni, que es pot convertir en teixit de fibra de carboni i preimpregnat de fibra de carboni per a la producció de compostos de fibra de carboni;
La fibra de carboni es combina amb resina, ceràmica i altres materials per formar compostos de fibra de carboni.Finalment, els productes finals per a 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, millorar la qualitat de la solució de filatura i optimitzar els factors de formació de precursors es converteixen en els punts clau per preparar fibra de carboni d'alta qualitat.
Segons "Investigació 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 humit sec.Actualment, la filatura humida i la filatura humida en sec s'utilitzen principalment per produir precursors de poliacrilonitril a casa i a l'estranger, entre els quals la filatura humida és la més utilitzada.
La filatura humida primer extrueix la solució de filatura del forat de la filatura i la solució de filatura entra al bany de coagulació en forma de petit flux.El mecanisme de filatura de la solució de filatura de poliacrilonitril és que hi ha una gran bretxa entre la concentració de DMSO a la solució de filatura i el bany de coagulació, i també hi ha una gran bretxa entre la concentració d'aigua al bany de coagulació i la solució de poliacrilonitril.Sota la interacció de les dues diferències de concentració anteriors, el líquid comença a difondre's en dues direccions i, finalment, es condensa en filaments mitjançant transferència de massa, transferència de calor, moviment d'equilibri de fase i altres processos.
En la producció de precursors, la quantitat residual de DMSO, la mida de la fibra, la resistència del monofilament, el mòdul, l'allargament, el contingut d'oli i la contracció d'aigua bullint es converteixen en els factors clau que afecten la qualitat del precursor.Prenent com a exemple la quantitat residual de DMSO, influeix en 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 cicle de rentat es converteix en un enllaç important.
El precursor de poliacrilonitril d'alta qualitat ha de tenir les característiques següents: alta densitat, alta cristalinitat, resistència adequada, secció transversal circular, menys defectes físics, superfície llisa i 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 és un pas essencial en la producció de productes finals de fibra de carboni a partir de precursors.En aquest pas, 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 provocarà la ruptura del cable.
Preoxidació (200-300 ℃): en el procés de preoxidació, el precursor PAN s'oxida lentament i suaument aplicant una certa tensió a l'atmosfera oxidant, formant un gran nombre d'estructures d'anells sobre la base de la cadena recta de la paella, per tal de aconseguir el propòsit de resistir un tractament a temperatures més elevades.
Carbonització (temperatura màxima no inferior a 1000 ℃): el procés de carbonització s'ha de dur a terme en atmosfera inert.En l'etapa inicial de la carbonització, la cadena de paella es trenca i comença la reacció de reticulació;Amb l'augment de la temperatura, la reacció de descomposició tèrmica comença a alliberar un gran nombre de gasos de molècules petites i es comença a formar l'estructura de grafit;Quan la temperatura va augmentar encara més, el contingut de carboni va augmentar ràpidament i la fibra de carboni va començar a formar-se.
Grafitització (temperatura de tractament superior a 2000 ℃): la grafitització no és un procés necessari per a la producció de fibra de carboni, sinó un procés opcional.Si s'espera un alt mòdul elàstic de la fibra de carboni, cal la grafitització;Si s'espera una alta resistència de la fibra de carboni, no és necessària la grafitització.En el procés de grafitització, l'alta temperatura fa que la fibra formi una estructura de malla de grafit desenvolupada i l'estructura s'integra mitjançant dibuix per obtenir el producte final.
Les altes barreres tècniques doten els productes aigües avall d'un alt valor afegit, i el preu dels compostos d'aviació és 200 vegades superior al de la seda crua.A causa de l'alta dificultat de la preparació de la fibra de carboni i el procés complex, com més aigües avall siguin els productes, major serà el valor afegit.Especialment per als compostos de fibra de carboni de gamma alta utilitzats en el camp aeroespacial, perquè els clients aigües avall tenen requisits molt estrictes sobre la seva fiabilitat i estabilitat, el preu del producte també mostra un creixement múltiple geomètric en comparació amb la fibra de carboni ordinària.
Hora de publicació: 22-jul-2021