Definice a složení z uhlíkových vláken
Obsah uhlíku a základní vlastnosti uhlíkových vláken (CF) je nový typ materiálu vlákna s vysokou pevností a vlákny s vysokým modulem obsahujícím více než 95% uhlík. Jedná se o mikrokrystalický grafitový materiál získaný stohováním organických vláken, jako jsou vločky grafitové mikrokrystaly podél axiálního směru vláken, po karbonizaci a grafitizaci. Hmotnost uhlíkového vlákna je lehčí než kovový hliník, ale pevnost je vyšší než ocel a má vlastnosti odolnosti proti korozi, vysokého modulu, nízké hustoty, bez tečení, dobrá elektrická a tepelná vodivost, odolnost vůči ultra vysokým teplotám v non -Oxidizace prostředí a dobrá odolnost proti únavě.
Obsah uhlíku v uhlíkových vláknech je důležitým indikátorem, který jej odlišuje od jiných materiálů vlákna. Obecně lze říci, že obsah uhlíku uhlíkových vláken je vyšší než 90%, což činí uhlíkové vlákno ve fyzikálních vlastnostech s vysokou pevností, vysokou modulem, nízkou hustotou a dalšími vlastnostmi. Hustota uhlíkového vlákna je asi 1,5 až 2,0 gramů na kubický centimetr, což je určeno hlavně teplotou ošetření karbonizace. Po vysoké teplotě 3000 ℃ Grafitizační ošetření je hustota až 2,0 gramů na centimetr krychle.
Mikrokrystalická struktura a složení materiálu
Mikrokrystalická struktura uhlíkového vlákna je klíčem k jeho jedinečným vlastnostem. Uhlíkové vlákno je složeno hlavně z uhlíku, jeho tvar má významnou anizotropii, měkkou, může být zpracováno do různých tkanin, podél směru osy vlákna vykazuje vysokou pevnost. Mikrokrystalická struktura uhlíkového vlákna je podobná umělému grafitu, což je chaotická grafitová struktura. Rozestup mezi vrstvami uhlíkových vláken je asi 3,39 až 3,42 Á. Uspořádání atomů uhlíku mezi paralelními vrstvami není tak úhledné jako uspořádání grafitu a vrstvy jsou spojeny silami van der Waals.
Struktura uhlíkového vlákna je také obvykle považována za sestávající z dvourozměrných uspořádaných krystalů a pórů, ve kterých obsah, velikost a distribuce pórů mají větší dopad na výkon uhlíkových vláken. Když je porozita pod určitou kritickou hodnotou, nepozorovanost nemá významný vliv na interlaminární smykovou sílu, pevnost ohybu a pevnost v tahu kompozitů z uhlíkových vláken. Některé studie poukázaly na to, že kritická porozita, která způsobuje snížení mechanických vlastností materiálu, je 1%-4%.
V mikrokrystalické struktuře uhlíkových vláken jsou velikost grafitového mikrokrystalu a rozteč vrstvy dva důležité parametry. Uhlíková vlákna s vysokým modulem mají lokálně uspořádanou trojrozměrnou grafitovou krystalovou strukturu s menším počtem grafitových lamelových defektů, pevnějším stohováním a vyšším obsahem uhlíku. Během přípravy uhlíkových vláken s vysokým modulem z uhlíkových vláken s vysokou pevností je ztráta pevnosti zřejmá, jak se zvyšuje modul uhlíkových vláken, což úzce souvisí s vývojem mikrokrystalické struktury. Tvorba a vývoj mikrokrystalických a pórových struktur uhlíkových vláken společně ovlivňuje vlastnosti uhlíkových vláken.
Klasifikace uhlíkových vláken
Klasifikace uhlíkového vlákna surovinového systému Kruhová vlákna je podle surovinového systému klasifikována hlavně do tří hlavních kategorií: Polyakrylonitril (PAN) založené na uhlíkových vláknech na bázi asfaltu a uhlíkové vlákno na bázi viskózy, z nichž každá má své vlastní jedinečný zdroj surovin a procesu přípravy.
Uhlíkové vlákno na bázi pánve: je mainstreamový produkt na současném trhu, což představuje více než 90% celkové globální produkce uhlíkových vláken. Vlákna způsobená jednoduchým výrobním procesem, nižšími náklady, vyšší míře absorpce karbonizace, vynikající mechanické vlastnosti a další charakteristiky. Jeho hlavní surovinou je akrylonitril a protofilament PAN se připravuje polymerací a spřádací procesem a poté se vyrobí na uhlíkovou vlákno procesem předoxidace, karbonizace a grafitizace.
Uhlíkové vlákno na bázi asfaltu: Take Asphalt jako suroviny, po modulaci, spřádání, netvoření, ošetření karbonizace nebo grafitizace a další kroky k provedení. Uhlíkové vlákno na bázi asfaltu má vysoký výnos uhlíku, ale modulace surovin je složitá, výkon produktu je nízký a současná stupnice je malá. Uhlíková vlákna na bázi výšky má výhody v modulu, tření a tepelné vodivosti, a proto mají aplikace v leteckém prostoru.
Uhlíkové vlákno na bázi viskózy: Vyrobeno z rayonu jako suroviny, prostřednictvím procesu nízkého karbonizace, technických obtíží, komplexního vybavení a vysokých nákladů. Uhlíkové vlákno na bázi viskózy se používá hlavně pro materiály rezistentní na ablaci a materiály izorující teplu. Protože jeho surovina je přírodním produktem a neobsahuje kovové ionty, má nenahraditelné výhody ve specifických oborech, jako jsou materiály izorující teplu pro strategické zbraně, antistatické a antielektromagnetické materiály pro ochranu oděvů.
Klasifikace podle výkonu uhlíkového vlákna je klasifikována podle výkonu, hlavně založená na jejím tahu a modulu v tahu, což jsou dva indexy mechanických vlastností, a lze jej rozdělit do obecného, vysoce pevného (GQ), vysoce pevného středního modelu ( Qz), vysoký model (m) atd.
Karbonské vlákno: má základní mechanické vlastnosti a je vhodné pro obecné průmyslové aplikace, jako jsou sportovní vybavení, automobilové díly atd.
Vysoce pevné uhlíkové vlákno: „Vyšší pevnost v tahu než obecná účel, která se široce používá v leteckém prostoru, vojenském vybavení atd., Z nichž jsou modely T300, T700, T800 atd. Uhlíkové vlákna s vysokou pevností.
Uhlíkové vlákno s vysokou pevností: Kromě vysoké pevnosti má také určité vlastnosti s vysokým modulem, vhodné pro aplikace vyžadující vysokou pevnost a tuhost.
Vysoko model uhlíkové vlákno: charakterizované vysokým modulem, jako je M40, M60 a další modely, se používá hlavně pro aplikace vyžadující vysokou tuhost, jako jsou satelitní strukturální komponenty, součásti hlavního ložiska letadla atd.
Uhlíková vlákna s různými vlastnostmi jsou realizována prostřednictvím různých procesů přípravy a podmínek tepelného zpracování, aby splňovaly specifické požadavky na vlastnosti v různých aplikacích. S pokrokem v technologii a rozšířením oblastí aplikací se také zdokonaluje a zlepšuje se klasifikace výkonu uhlíkového vlákna.
Proces výroby uhlíkových vláken
Proces točení
Výroba z uhlíkových vláken začíná procesem točení, což je krok, ve kterém jsou prekurzorové materiály, jako jsou organické polymery, jako jsou polyakrylonitril (PAN), chemicky přeměněny na formu vlákna.
Proces spřádání je obvykle kategorizován jako mokré spřádání, suché spřádání a mokré/suché spřádání.
Mokré spřádání: Při mokrém spřádání je roztok polymeru extrudován skrz otvory spinneretu do koagulační lázně, kde je koagulace dosaženo difúzí rozpouštědla. Tato metoda má nízkou rychlost výroby a je to složitý proces, ale může produkovat vlákna s hladkým a jednotným povrchem. Bylo studováno, že povrch uhlíkových vláken s mokra má významné drážky, které mohou ovlivnit jejich následné kompozitní vlastnosti.
Suché spřádání: Při suchém točení je roztok polymeru vytlačen z spinneretu a přímo do spřádacího kanálu, tok horkého vzduchu v kanálu způsobuje rychlé odpaření rozpouštědla a dojde k léčbě po rozpouštědle v jemném proudu Originální kapalina se odpařuje. Suché spřádání je schopné kontinuální produkce, rychlé otáčení rychlosti, velkého výkonu, menšího znečištění životního prostředí, lepší kvality vláken a chemické odolnosti a barvivo.
Mokré a suché spřádání: Kombinace charakteristik suchých a mokrých metod je spřádací pažba vytlačena z spinneretu a poté před vstupem do koagulační lázně prochází částí vzduchové vrstvy. Tento proces má vysokou produktivitu, produkuje kvalitní uhlíkové vlákna a má nízké výrobní náklady. Viskozita roztoku suchého a mokrého spřádání až do 50 ~ 100 pa - může zlepšit koncentraci roztoku spřádacího zásobního roztoku, snížit zotavení rozpouštědel a spotřebu jednotek.
Stabilizace
Stabilizační léčba je klíčovým krokem v procesu výroby uhlíkových vláken, hlavním účelem je zlepšit tepelnou stabilitu prekurzorových vláken v přípravě na následný proces karbonizace. V tomto kroku jsou prekurzorová vlákna zahřívána na 200-300 ° C ve vzduchu, aby se podpořily oxidační reakce a tvorbu lichoběžníků, čímž se zlepšuje tepelnou stabilitu vláken.
Oxidační stabilita: Stabilizovaná vlákna vykazují lepší oxidační stabilitu, která usnadňuje jejich použití za drsných podmínek. Studie ukázaly, že uhlíková vlákna na bázi PAN mají snížený stupeň cyklizace, rychlejší rychlost tepelného rozkladu a nižší konečný výnos uhlíku.
Účinek tepelného zpracování: Čas a teplota stabilizačního ošetření má významný vliv na vlastnosti uhlíkových vláken. Obecně se stabilizační doba léčby měří v hodinách, ale doba karbonizace je řádově kratší, měřená v minutách. Vlákna podléhají stabilizační léčbě, která má za následek významný úbytek hmotnosti a snížení průměru.
Ošetření karbonizace a grafitizace
Ošetření karbonizace a grafitizace jsou konečnými kroky tepelného zpracování v procesu výroby uhlíkových vláken a společně určují konečné vlastnosti uhlíkového vlákna.
Carbonizace: Během procesu karbonizace je Pan preoxygenované vlákno v inertní atmosféře a postupně se zahřívá ze 400 ° C na 1600 ° C, prochází dvěma oblastmi karbonizace s nízkou teplotou 400-1000 ° C a karbonizace s vysokou teplotou karbonizace 1000-1600 ° C. Pan preoxygenované vlákno je zahříváno od 400 ° C na 1600 ° C postupně. Při této teplotě jsou z vlákna uvolňovány ne-uhlíkové prvky, jako jsou N, H a O v preoxygenovaném vláknu, za vzniku uhlíkových vláken s více než 90% obsahem uhlíku.
Grafitizace: Léčba „Grafitizace se obvykle provádí při vysoké teplotě 2 500 až 3 000 ° C za vzniku pravidelné trojrozměrné grafitové krystalové struktury z chaotické grafitové lamelární struktury uvnitř uhlíkového vlákna. Tento proces může významně zvýšit modul tahu uhlíkových vláken, takže grafitizovaná uhlíková vlákna se široce používají v leteckých a dalších špičkových technologiích.
Evoluce mikrostruktury: Během procesu grafitizace prochází mikrostruktura uhlíkových vláken významných změn, přičemž grafitové mikrokrystaly se zvyšují velikostí a snižují se rozteč vrstvy, přibližují se k ideální rozteč vrstvy rozteč grafitových krystalů 0,335 nm. Mechanické a tepelné vlastnosti uhlíkových vláken.
