Как сделать углеродное волокно?

Углеродное волокно, состоящее из комбинаций не похожих материалов (волокна и смолы), их изменчивость и, следовательно, приспособляемость, являются центральными элементами их очарования. Как замена металла, композиты из углеродного волокна обеспечивают в десять раз большую прочность, чем сталь. Производители углеродного волокна создают продукцию, которая похожа, но не идентична. Углеродное волокно различается по модулю упругости при растяжении (или жесткости, определяемой как деформация ниже напряжения) и прочности на растяжение, сжатие и усталость

В настоящее время углеродное волокно на основе ПАН доступно в следующих вариантах: низкий модуль (менее тридцати двух миллионов фунтов-силы/дюйм² или Msi), обычный модуль (от 33 до тридцати шести Msi), промежуточный модуль (от 40 до пятидесяти Msi), высокий модуль (от 50 до семидесяти Msi) и сверхвысокий модуль (от 70 до ста сорока Msi).
Проще говоря, углеродное волокно создается путем смещения органического волокна-предшественника в инертной атмосфере при температурах выше 1800°F (982,22 °C). Однако производство углеродного волокна может быть передовым предприятием.

углеродное волокно

Полимеризация и прядение

Полимеризация

Процесс начинается с химического соединения исходного сырья, называемого прекурсором, который имеет молекулярную основу волокна. Сегодня около 100 процентов созданного углеродного волокна создается из ткани или прекурсоров на основе пека, однако большая его часть поступает из полиакрилонитрила (ПАН), произведенного из нитрита, а нитрит поступает из промышленных химикатов пропана и аммиака.

Обычно формула прекурсора начинается с нитрильного соединения ассоциированной степени, которое объединяется в самом реакторе с пластифицированным акриловым сомономером и катализатором, таким как кислота, диоксид, масло купороса или кислота. Непрерывное объединение позволяет ингредиентам объединяться, обеспечивая определенную консистенцию и чистоту и инициируя образование свободных радикалов в молекулярной структуре нитрита. Эта модификация приводит к химическому процессу, который производит длинноцепочечные полимеры, которые образуют акриловые волокна. Детали химического процесса, такие как температура, атмосфера, конкретные сомономеры и катализаторы, являются запатентованными. После стирки и сушки нитрит в виде порошка растворяется в органическом растворителе ассоциированной степени, таком как диметилсульфид (ДМСО), диметилацетамид (ДМАЦ) или диметилформамид (ДМФ), или жидком растворителе ассоциированной степени, таком как хлорид с атомным номером 30 и соли родамина. Органические растворители способствуют предотвращению загрязнения следами металлических частиц, которые могут нанести вред термической аэрофильной стабильности метода и замедлить тепловые характеристики готового волокна. На этом этапе суспензия порошка и растворителя или прекурсор «покрытия» — это консистенция сиропа. Выбор растворителя и, следовательно, степень управления порочностью покрытия (через глубокую фильтрацию) имеют решающее значение для успеха последующей стадии формирования волокна.
Прядение
Волокна ПАН квадратной меры, сформированные методом, называемым мокрым прядением. Покрытие погружается в жидкую ванну естественного процесса и выдавливается через отверстие во время фильеры, изготовленной из ценных материалов. Проход соответствует требуемому разнообразию нитей волокна ПАН (например, 12 000 отверстий углеродного волокна 12K). Это сравнительно толстое и хрупкое мокрое пряденое волокно протягивается через валик, чтобы избавиться от излишков агента, затем высушивается и растягивается для продолжения ориентации соединения ПАН. Здесь форма и внутреннее поперечное сечение нитей определяются степенью проникновения выбранного растворителя и агента в исходные волокна, величиной приложенного натяжения, а также удлинением нитей ПК. Последнее является собственностью каждого производителя. Альтернативой мокрому прядению может быть смешанный метод, называемый сухой струйной обработкой/мокрым прядением, который использует вертикальный воздушный зазор между волокнами и ванной естественного процесса. Это приводит к гладкому сферическому волокну PAN, которое улучшает интерфейс волокна/матрицы канифоли в композите. Последний шаг в формировании волокон-предшественников PAN заключается в использовании отделочных масел для предотвращения агломерации вязких нитей. Белые волокна PAN затем снова высушиваются и наматываются на катушку.
печь для окисления углеродного волокна

Окисление и карбонизация

Окисление

Эти бобины загружаются в корзину, и в течение самого длительного производственного этапа окисления волокна ПАН пропускаются через ряд специальных печей. Перед тем, как попасть в основной кухонный прибор, волокна ПАН сворачиваются в жгут или лист, называемый основой. Температура в камере колеблется от 392 °F (около 200 °C) до 572 °F (300 градусов по Цельсию).

Чтобы избежать неконтролируемого выделения тепла (оцениваемое выделение энтальпии во время окисления, исчисляемое в 2000 кДж/кг, перемещает реальную опасность каминов), производители кухонных приборов используют распределение потоков воздуха, чтобы помочь рассеивать тепло и управлять температурой. В зависимости от конкретного прекурсора время окисления совершенно разное, однако Литтлер оценивает, что жгут 24К будет изменяться со скоростью около сорока трех футов на тринадцать метров в минуту на большой линии с несколькими окислительными печами. Наконец, измененные (стабилизированные) волокна ПАН содержат от около пятисотых до около шестидесятипятых молекул углерода, а остаток составляет газ, смесь атомного числа 7 и O.
Карбонизация
Карбонизация происходит в инертной (бескислородной) атмосфере в серии специально разработанных печей, постепенно увеличивая температуру процесса. На входе и выходе каждой камеры камера улучшения предотвращает проникновение O, поскольку каждая молекула O, проходящая через кухонный прибор, удаляет немного волокон. Это может предотвратить потерю углерода, образующегося при такой температуре. В отсутствие O удаляются только неуглеродные молекулы, а также соединения и различные летучие органические соединения (стабилизированные на уровне от сорока до восьмидесяти частей на миллион) и твердые частицы (например, частично осажденные фрагменты волокон) и выгружаются из кухонного прибора для последующей обработки в печи с контролируемой средой. карбонизация начинается в температурной камере, переносит волокна от 1292 °F (примерно 700 °C) до 1472 °F (от 700 °C до 800 °C) и заканчивается в тепловой камере при 2192 °F (примерно 1200 °C) до 2732 °F (примерно 1500 °C). 1500 °C). Количество камер определяется модулем, необходимым для углеродного волокна; сравнительно высокая цена высокомодульных и невысокомодульных углеродных волокон частично обусловлена ​​продолжительностью и температурой, которые должны быть достигнуты тепловой печью. хотя продолжительность является запатентованной, и каждый сорт углеродного волокна совершенно различен, продолжительность окисления рассчитывается в часах, однако скорость карбонизации снижается на порядок в минутах. После того, как волокно меняет состояние, оно уменьшает вес и объем, сокращает длину на 5–100 % и уменьшает диаметр. Фактически, количественное отношение преобразования прекурсора ПАН к углеродному волокну ПАН составляет около 2:1, а также способность смещения составляет меньшую величину, чем у пары — то есть, в метод входит гораздо меньше материала. Эта методология объединяет молекулы O из воздуха с волокнами ПАН в основе и инициирует сшивание цепей соединений. Это увеличит плотность волокна с ~1,18 г/см3 до 1,38 г/см3.
Углеродное волокно Карбонизация

Обработка поверхности и калибровка

Обработка поверхности и калибровка
Следующий шаг имеет важное значение для производительности волокна, и в дополнение к прекурсорам, он наилучшим образом отличает продукт одного поставщика от продукта конкурентов. Адгезия между матричным органическим соединением и, следовательно, углеродными волокнами имеет важное значение для армирования композита; на протяжении всего метода производства углеродного волокна выполняется обработка поверхности для повышения этой адгезии.

Производители используют совершенно разные способы обработки, однако стандартная техника заключается в том, чтобы протянуть волокна через ассоциированную химию или ячейку, содержащую ответ, например, дезинфицирующее средство или кислоту. Эти материалы печатают или изменяют поверхность каждой нити, что увеличит доступное пространство для поверхностного связывания волокна/матрицы и добавит реактивные химические группы, такие как карбоновые кислоты. Затем нанесите чрезвычайно запатентованное покрытие, известное как размеры. При 0,5% до пяти по весу углеродного волокна размер защищает углеродные волокна в ассоциированном промежуточном типе, как сухая ткань и препрег, на протяжении всего процесса и процесса (например, ткачества). Размер дополнительно удерживает мононити вместе, чтобы сократить пух, улучшить способность к обработке и увеличить прочность на сдвиг поверхности между волокнами и, следовательно, органическим соединением матрицы.

Время публикации: 01.11.2018
Онлайн-чат WhatsApp!