KĀ IZGATAVOT OGĻŠĶIEDRU?

Oglekļa šķiedra, kas sastāv no atšķirīgu materiālu (šķiedras un sveķu) kombinācijām, to mainīgums un pielāgojamība ir to šarma pamatā. Kā metāla aizstājējs, oglekļa šķiedras kompozītmateriāli nodrošina desmit reizes lielāku izturību nekā tērauds. Oglekļa šķiedras ražotāji rada produktus, kas ir līdzīgi, bet ne identiski. Oglekļa šķiedrai ir atšķirīgs stiepes modulis (jeb stingrība, ko nosaka deformācija zem deformācijas), kā arī stiepes, spiedes un noguruma izturība.

Sazinieties ar mums

Mūsdienās PAN bāzes oglekļa šķiedra ir pieejama ar zemu moduli (mazāk nekā 32 miljoni lbf/in² jeb Msi), standarta moduli (33 līdz 36 Msi), starpposma moduli (40 līdz 50 Msi), augstu moduli (50 līdz 70 Msi) un īpaši augstu moduli (70 līdz 140 Msi).
Vienkāršāk sakot, oglekļa šķiedra tiek radīta, pārvietojot asociētā līmeņa organisko prekursora šķiedru asociētā līmeņa inertā atmosfērā temperatūrā, kas pārsniedz 1800 °F (982,22 °C). Tomēr oglekļa šķiedras ražošana ir progresīvs process.

Polimerizācija un vērpšana

Polimerizācija

Process sākas ar ķīmisku savienojumu izejvielu, ko sauc par prekursoru, kam ir šķiedras molekulārais pamats. Mūsdienās aptuveni 100% no saražotās oglekļa šķiedras ir izgatavota no auduma vai darvas bāzes prekursoriem, tomēr lielākā daļa no tās nāk no poliakrilnitrila (PAN), kas ražots no nitrīta, un nitrīts rodas no rūpnieciskajām ķimikālijām propāna un amonjaka.

Parasti prekursora formulējums sākas ar asociētā līmeņa nitrīta savienojumu, kas pašā reaktorā tiek apvienots ar plastificētu akrila komonomēru un katalizatoru, piemēram, skābi, dioksīdu, vitriola eļļu vai skābi. Nepārtraukta savienošana ļauj sastāvdaļām savienoties, nodrošinot noteiktu konsistenci un tīrību, un uzsākot brīvo radikāļu veidošanos nitrīta molekulārajā struktūrā. Šī modifikācija noved pie ķīmiska procesa, kurā tiek ražoti garas ķēdes polimēri, kas veido akrila šķiedras. Ķīmiskā procesa detaļas, piemēram, temperatūra, atmosfēra, specifiskie komonomēri un katalizatori, ir patentētas. Pēc mazgāšanas un žāvēšanas nitrīts pulverveidā tiek izšķīdināts asociētā līmeņa organiskajā šķīdinātājā, piemēram, dimetiletilsulfīdā (DMSO), dimetilacetamīdā (DMAC) vai dimetilformamīdā (DMF), vai asociētā līmeņa šķidrā šķīdinātājā, piemēram, hlorīdā ar atomskaitli 30 un rodamīna sāļos. Organiskie šķīdinātāji palīdz novērst metālu daļiņu piesārņojumu, kas varētu kaitēt procesa termiskajai aerofilajai stabilitātei un aizkavēt gatavās šķiedras termisko veiktspēju. Šajā posmā pulvera un šķīdinātāja suspensija jeb prekursora "pārklājums" veido sīrupa konsistenci. Šķīdinātāja izvēle un līdz ar to pārklājuma ļaunprātīgas izmantošanas pakāpe (izmantojot padziļinātu filtrāciju) ir ļoti svarīga, lai veiksmīgi pabeigtu šķiedru veidošanās secīgo posmu.
Vērpšana
PAN šķiedras tiek veidotas ar metodi, ko sauc par mitro vērpšanu. Pārklājums tiek iegremdēts šķidrā dabiskā procesa vannā un ekstrudēts caur caurumu vērpšanas ierīcē, kas izgatavota no vērtīga materiāla. Caurlaide tiek pielāgota nepieciešamajam PAN šķiedras pavedienu skaitam (piemēram, 12 000 caurumu 12K oglekļa šķiedras). Šī salīdzinoši biezā un trauslā mitrā vērptā šķiedra tiek vilkta caur veltni, lai atbrīvotos no liekā reaģenta, pēc tam žāvēta un stiepta, lai saglabātu PAN savienojuma orientāciju. Šeit pavedienu formu un iekšējo šķērsgriezumu nosaka tas, cik lielā mērā izvēlētais šķīdinātājs un līdzeklis iekļūst prekursora šķiedrās, pielietotā sprieguma daudzums un pavedienu PC pagarinājums. Pēdējais ir katra ražotāja īpašums. Alternatīva mitrajai vērpšanai varētu būt jaukta metode, ko sauc par sauso strūklošanu/slapjo vērpšanu, kurā tiek izmantota vertikāla gaisa sprauga starp šķiedrām un dabiskā procesa vannu. Tas rada gludu, apaļu PAN šķiedru, kas uzlabo šķiedras/matricas kolofonija saskarni kompozītā. Pēdējais solis PAN prekursora šķiedru veidošanā ir apdares eļļu izmantošana, lai novērstu viskozo pavedienu aglomerāciju. Pēc tam baltās PAN šķiedras vēlreiz izžāvēja un uztīja uz spoles.

Oksidācija un karbonizācija

Oksidācija

Šīs spolītes tiek ielādētas grozā, un ilgākajā ražošanas, oksidācijas, posmā PAN šķiedras tiek padotas cauri vairākām speciālām krāsnīm. Pirms nonākšanas galvenajā virtuves ierīcē PAN šķiedras tiek veidotas kā pakulas vai loksnes, ko sauc par velku. Temperatūra kamerā svārstās no aptuveni 200 °C līdz 300 grādiem pēc Celsija.

Lai izvairītos no nekontrolētas siltuma izkliedes (aprēķinātā entalpijas izkliede oksidācijas laikā, kas aprēķināta kā 2000 kJ/kg, sekojot patiesajam ugunsgrēku riskam), virtuves ierīču ražotāji izmanto dažādus gaisa plūsmas veidus, lai palīdzētu izkliedēt siltumu un kontrolēt temperatūru. Oksidācijas laiks, ko nosaka konkrēta prekursora ķīmiskā viela, ir atšķirīgs, taču Litlers lēš, ka 24K vilnis mainīsies ar ātrumu aptuveni 43 pēdas uz 13 metriem minūtē uz lielas līnijas ar vairākām oksidācijas krāsnīm. Visbeidzot, mainītās (stabilizētās) PAN šķiedras satur no aptuveni 500 līdz 65 oglekļa molekulām, bet pārējais ir gāze, atomskaitļa 7 un O maisījums.
Karbonizācija
Karbonizācija notiek inertā (bez skābekļa) atmosfērā speciāli izstrādātu krāšņu sērijā, pakāpeniski paaugstinot procesa temperatūru. Katras kameras ūdenstilpnē un izejā uzlabošanas kamera novērš O iekļūšanu, jo katra O molekula, kas iet caur virtuves ierīci, noņem nelielu daļu šķiedru. Tas var novērst oglekļa zudumus, kas rodas šādā karstumā. Ja nav O, tiek noņemtas tikai neoglekļa molekulas, tostarp savienojumi un citi gaistošie organiskie savienojumi (stabilizēti 40 līdz 80 ppm līmenī) un daļiņas (piemēram, daļēji nogulsnēti šķiedru fragmenti), un tās tiek izvadītas no virtuves ierīces pēcapstrādei videi draudzīgā krāsnī. Karbonizācija sākas temperatūras kamerā, pārnesot šķiedras līdz aptuveni 700 °C līdz 800 °C un beidzas karsēšanas kamerā aptuveni 1200 °C līdz 1500 °C temperatūrā. 1500 °C). Kameru skaitu nosaka nepieciešamais modulis oglekļa šķiedrā; salīdzinoši augstā augsta un pārāk augsta moduļa oglekļa šķiedru cena daļēji ir saistīta ar nepārtrauktību un temperatūru, kas jāpanāk karsēšanas krāsnij. Lai gan nepārtrauktība ir patentēta un katra oglekļa šķiedras klase ir pilnīgi atšķirīga, oksidācijas nepārtrauktība tiek aprēķināta stundās, bet karbonizācijas ātrums tiek samazināts par vienu kārtu minūtēs. Kad šķiedra ir mainījis stāvokli, tā samazina svaru un tilpumu, saīsina garumu par 5 līdz 100% un samazina diametru. Faktiski PAN prekursora konversijas kvantitatīvā attiecība pret PAN oglekļa šķiedru ir aptuveni 2:1, un izspiešanas spēja ir mazāka nekā pārim — tas ir, procesā nonāk daudz mazāk materiāla. Šī metode apvieno O molekulas no gaisa ar PAN šķiedrām velku iekšienē un uzsāk savienojuma ķēžu šķērssavienošanu. Tas palielina šķiedras blīvumu no ~1,18 g/cm3 līdz 1,38 g/cm3.

Virsmas apstrāde un izmēru noteikšana

Virsmas apstrāde un izmēru noteikšana
Nākamais solis ir būtisks šķiedru veiktspējai, un papildus prekursoriem tas vislabāk atšķir viena piegādātāja produktu no konkurentu produkta. Matricas organiskā savienojuma un līdz ar to oglekļa šķiedru saķere ir būtiska kompozītmateriāla pastiprināšanai; visā oglekļa šķiedras ražošanas procesā tiek veikta virsmas apstrāde, lai uzlabotu šo saķeri.

Publicēšanas laiks: 2018. gada 1. novembris

Kā izgatavot oglekļa šķiedru?

KĀ IZGATAVOT OGĻŠĶIEDRU?

Polimerizācija un vērpšana

Oksidācija un karbonizācija

Virsmas apstrāde un izmēru noteikšana