A fibra de carbono, coñecida como o rei dos novos materiais no século XXI, é unha perla brillante nos materiais.A fibra de carbono (CF) é un tipo de fibra inorgánica cun contido de carbono superior ao 90%.As fibras orgánicas (a base de viscosa, de brea, de poliacrilonitrilo, etc.) son pirolizadas e carbonizadas a alta temperatura para formar unha columna vertebral de carbono.
Como unha nova xeración de fibras reforzadas, a fibra de carbono ten excelentes propiedades mecánicas e químicas.Non só ten as características inherentes dos materiais de carbono, senón que tamén ten a suavidade e procesabilidade da fibra téxtil.Polo tanto, úsase amplamente en campos aeroespaciais, enerxéticos, de transporte, deportivos e de lecer
Peso lixeiro: como novo material estratéxico con excelentes rendementos, a densidade da fibra de carbono é case a mesma que a do magnesio e do berilio, menos de 1/4 da do aceiro.Usar un composto de fibra de carbono como material estrutural pode reducir o peso estrutural nun 30% - 40%.
Alta resistencia e alto módulo: a resistencia específica da fibra de carbono é 5 veces maior que a do aceiro e 4 veces maior que a da aliaxe de aluminio;O módulo específico é 1,3-12,3 veces doutros materiais estruturais.
Pequeno coeficiente de expansión: o coeficiente de expansión térmica da maioría das fibras de carbono é negativo a temperatura ambiente, 0 a 200-400 ℃ e só 1,5 a menos de 1000 ℃ × 10-6 / K, non é fácil de expandir e deformar debido ao alto traballo. temperatura.
Boa resistencia á corrosión química: a fibra de carbono ten un alto contido de carbono puro e o carbono é un dos elementos químicos máis estables, o que resulta no seu rendemento moi estable en ambientes ácidos e alcalinos, que se poden converter en todo tipo de produtos químicos anticorrosivos.
Forte resistencia á fatiga: a estrutura da fibra de carbono é estable.Segundo as estatísticas da rede de polímeros, despois de millóns de ciclos de proba de fatiga, a taxa de retención da resistencia do composto aínda é do 60%, mentres que a do aceiro é do 40%, o aluminio é do 30% e o plástico reforzado con fibra de vidro é só de 20%. % - 25%.
O composto de fibra de carbono é o reforzo da fibra de carbono.Aínda que a fibra de carbono pode usarse soa e desempeñar unha función específica, é un material quebradizo despois de todo.Só cando se combina co material da matriz para formar un composto de fibra de carbono pode dar mellor xogo ás súas propiedades mecánicas e soportar máis cargas.
As fibras de carbono pódense clasificar segundo diferentes dimensións, como o tipo de precursor, o método de fabricación e o rendemento
Segundo o tipo de precursor: base de poliacrilonitrilo (Pan), base de brea (isótropo, mesofase);Base viscosa (base celulosa, base rayón).Entre eles, a fibra de carbono baseada en poliacrilonitrilo (Pan) ocupa a posición principal e a súa produción representa máis do 90% da fibra de carbono total, mentres que a fibra de carbono baseada en viscosa representa menos do 1%.
Segundo as condicións e métodos de fabricación: fibra de carbono (800-1600 ℃), fibra de grafito (2000-3000 ℃), fibra de carbón activado, fibra de carbono cultivada en vapor.
Segundo as propiedades mecánicas, pódese dividir en tipo xeral e tipo de alto rendemento: a resistencia da fibra de carbono de tipo xeral é de aproximadamente 1000 MPa e o módulo é de aproximadamente 100 GPa;O tipo de alto rendemento pódese dividir en tipo de alta resistencia (resistencia 2000 mPa, módulo 250 gpa) e modelo alto (módulo 300 gpa ou máis), entre os que a forza superior a 4000 mpa tamén se denomina tipo de resistencia ultra alta, e o módulo superior a 450 gpa é chamado modelo ultra-alto.
Segundo o tamaño do remolque, pódese dividir en remolque pequeno e remolque grande: a fibra de carbono de remolque pequeno é principalmente 1K, 3K e 6K na fase inicial, e desenvolveuse gradualmente en 12K e 24K, que se usa principalmente no sector aeroespacial e deportivo. e campos de lecer.As fibras de carbono superiores a 48K adoitan denominarse fibras de carbono de remolque grandes, incluíndo 48K, 60K, 80K, etc., que se usan principalmente en campos industriais.
A resistencia á tracción e o módulo de tracción son dous índices principais para avaliar as propiedades da fibra de carbono.En base a isto, China promulgou o estándar nacional para a fibra de carbono baseada en PAN (GB / t26752-2011) en 2011. Ao mesmo tempo, debido á vantaxe absoluta de Toray na industria global da fibra de carbono, a maioría dos fabricantes nacionais tamén adoptan o estándar de clasificación de Toray. como referencia.
1.2 As barreiras altas aportan un alto valor engadido.Mellorar o proceso e realizar a produción en masa pode reducir significativamente o custo e aumentar a eficiencia
1.2.1 a barreira técnica da industria é alta, a produción de precursores é o núcleo e a carbonización e oxidación son a clave
O proceso de produción de fibra de carbono é complexo, o que require un alto nivel de equipamento e tecnoloxía.O control de precisión, temperatura e tempo de cada enlace afectará moito á calidade do produto final.A fibra de carbono de poliacrilonitrilo converteuse na fibra de carbono máis usada e de maior produción na actualidade debido ao seu proceso de preparación relativamente sinxelo, ao seu baixo custo de produción e á conveniente eliminación de tres residuos.A principal materia prima propano pódese facer a partir de petróleo cru, e a cadea da industria da fibra de carbono PAN inclúe un proceso de fabricación completo desde a enerxía primaria ata a aplicación terminal.
Despois de que se preparou propano a partir de petróleo bruto, obtívose propileno mediante a deshidroxenación catalítica selectiva (PDH) do propano;
O acrilonitrilo obtívose por amoxidación de propileno.O precursor de poliacrilonitrilo (Pan) obtívose pola polimerización e fiación de acrilonitrilo;
O poliacrilonitrilo é pre-oxidado, carbonizado a baixa e alta temperatura para obter fibra de carbono, que se pode converter en tecido de fibra de carbono e preimpregnado de fibra de carbono para a produción de compostos de fibra de carbono;
A fibra de carbono combínase con resina, cerámica e outros materiais para formar compostos de fibra de carbono.Finalmente, os produtos finais para aplicacións posteriores obtéñense mediante diversos procesos de moldeo;
A calidade e o nivel de rendemento do precursor determinan directamente o rendemento final da fibra de carbono.Polo tanto, mellorar a calidade da solución de fiación e optimizar os factores de formación de precursores convértense nos puntos clave para preparar fibra de carbono de alta calidade.
Segundo a "Investigación sobre o proceso de produción de precursores de fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo", o proceso de fiación inclúe principalmente tres categorías: fiación húmida, fiación en seco e fiación en seco húmido.Na actualidade, a fiación húmida e a fiación húmida en seco úsanse principalmente para producir precursores de poliacrilonitrilo no país e no estranxeiro, entre os que a fiación húmida é a máis utilizada.
O fiado húmido extrue primeiro a solución de fiación do buraco da fileira e a solución de fiación entra no baño de coagulación en forma de pequeno fluxo.O mecanismo de xiro da solución de fiación de poliacrilonitrilo é que hai unha gran diferenza entre a concentración de DMSO na solución de fiación e o baño de coagulación, e tamén hai unha gran diferenza entre a concentración de auga no baño de coagulación e a solución de poliacrilonitrilo.Baixo a interacción das dúas diferenzas de concentración anteriores, o líquido comeza a difundirse en dúas direccións e finalmente condénsase en filamentos mediante transferencia de masa, transferencia de calor, movemento de equilibrio de fase e outros procesos.
Na produción de precursor, a cantidade residual de DMSO, o tamaño da fibra, a resistencia do monofilamento, o módulo, o alongamento, o contido de aceite e a contracción da auga fervendo convértense nos factores clave que afectan a calidade do precursor.Tomando a cantidade residual de DMSO como exemplo, ten influencia nas propiedades aparentes do precursor, o estado de sección transversal e o valor CV do produto final de fibra de carbono.Canto menor sexa a cantidade residual de DMSO, maior será o rendemento do produto.Na produción, o DMSO elimínase principalmente mediante o lavado, polo que como controlar a temperatura de lavado, o tempo, a cantidade de auga desalada e a cantidade de ciclo de lavado convértese nun vínculo importante.
O precursor de poliacrilonitrilo de alta calidade debe ter as seguintes características: alta densidade, alta cristalinidade, resistencia adecuada, sección transversal circular, menos defectos físicos, superficie lisa e estrutura do núcleo de pel uniforme e densa.
O control da temperatura da carbonización e da oxidación é a clave.A carbonización e oxidación é un paso esencial na produción de produtos finais de fibra de carbono a partir de precursores.Neste paso, a precisión e o rango de temperatura deben ser controlados con precisión, se non, a resistencia á tracción dos produtos de fibra de carbono verase significativamente afectada e incluso provocará a rotura do fío.
Preoxidación (200-300 ℃): no proceso de preoxidación, o precursor PAN oxidase lenta e levemente aplicando unha certa tensión na atmosfera oxidante, formando un gran número de estruturas de anel sobre a base da cadea recta pan, para conseguir o propósito de resistir un tratamento a maior temperatura.
Carbonización (temperatura máxima non inferior a 1000 ℃): o proceso de carbonización debe realizarse en atmosfera inerte.Na fase inicial da carbonización, a cadea de pan rómpese e comeza a reacción de reticulación;Co aumento da temperatura, a reacción de descomposición térmica comeza a liberar un gran número de gases de pequenas moléculas e comeza a formarse a estrutura de grafito;Cando a temperatura aumentou aínda máis, o contido de carbono aumentou rapidamente e a fibra de carbono comezou a formarse.
Grafitización (temperatura de tratamento superior a 2000 ℃): a grafitización non é un proceso necesario para a produción de fibra de carbono, senón un proceso opcional.Se se espera un alto módulo elástico da fibra de carbono, é necesaria a grafitización;Se se espera unha alta resistencia da fibra de carbono, non é necesaria a grafitización.No proceso de grafitización, a alta temperatura fai que a fibra forme unha estrutura de malla de grafito desenvolvida e a estrutura intégrase mediante debuxo para obter o produto final.
As altas barreiras técnicas dotan aos produtos posteriores de alto valor engadido e o prezo dos compostos de aviación é 200 veces superior ao da seda en bruto.Debido á alta dificultade da preparación da fibra de carbono e do proceso complexo, canto máis abaixo sexan os produtos, maior será o valor engadido.Especialmente para os compostos de fibra de carbono de gama alta utilizados no campo aeroespacial, porque os clientes posteriores teñen requisitos moi estritos sobre a súa fiabilidade e estabilidade, o prezo do produto tamén mostra un crecemento múltiple xeométrico en comparación coa fibra de carbono común.
Hora de publicación: 22-Xul-2021