Karbonfiber, kjent som kongen av nye materialer i det 21. århundre, er en lys perle i materialer.Karbonfiber (CF) er en slags uorganisk fiber med mer enn 90 % karboninnhold.Organiske fibre (viskosebaserte, bekbaserte, polyakrylnitrilbaserte fibre, etc.) pyrolyseres og karboniseres ved høy temperatur for å danne karbonryggrad.
Som en ny generasjon forsterket fiber har karbonfiber utmerkede mekaniske og kjemiske egenskaper.Det har ikke bare de iboende egenskapene til karbonmaterialer, men har også mykheten og bearbeidbarheten til tekstilfiber.Derfor er det mye brukt i romfart, energiutstyr, transport, sport og fritidsfelt
Lett vekt: som et strategisk nytt materiale med utmerket ytelse, er tettheten til karbonfiber nesten den samme som for magnesium og beryllium, mindre enn 1/4 av stålets.Bruk av karbonfiberkompositt som konstruksjonsmateriale kan redusere konstruksjonsvekten med 30 % – 40 %.
Høy styrke og høy modul: den spesifikke styrken til karbonfiber er 5 ganger høyere enn for stål og 4 ganger høyere enn for aluminiumslegering;Den spesifikke modulen er 1,3-12,3 ganger for andre strukturelle materialer.
Liten ekspansjonskoeffisient: den termiske ekspansjonskoeffisienten til de fleste karbonfibre er negativ ved romtemperatur, 0 ved 200-400 ℃, og bare 1,5 ved mindre enn 1000 ℃ × 10-6 / K, ikke lett å utvide og deformere på grunn av høy arbeid temperatur.
God kjemisk korrosjonsbestandighet: Karbonfiber har høyt innhold av rent karbon, og karbon er et av de mest stabile kjemiske elementene, noe som resulterer i dens meget stabile ytelse i surt og alkalisk miljø, som kan gjøres til alle slags kjemiske anti-korrosjonsprodukter.
Sterk tretthetsmotstand: strukturen til karbonfiber er stabil.I følge statistikken for polymernettverk, etter millioner av sykluser med belastningsutmattelsestest, er styrkeretensjonsgraden til kompositten fortsatt 60%, mens den for stål er 40%, aluminium er 30%, og glassfiberarmert plast er bare 20 % – 25 %.
Karbonfiberkompositt er gjenforsterkning av karbonfiber.Selv om karbonfiber kan brukes alene og spille en bestemt funksjon, er det tross alt et sprøtt materiale.Bare når det kombineres med matrisematerialet for å danne karbonfiberkompositt kan det gi bedre spill til sine mekaniske egenskaper og bære mer belastning.
Karbonfibre kan klassifiseres i henhold til forskjellige dimensjoner som forløpertype, produksjonsmetode og ytelse
Avhengig av typen forløper: polyakrylnitril (Pan) basert, bekbasert (isotropisk, mesofase);Viskosebase (cellulosebase, rayonbase).Blant dem inntar polyakrylnitril (Pan)-basert karbonfiber hovedposisjonen, og produksjonen utgjør mer enn 90 % av den totale karbonfiberen, mens viskosebasert karbonfiber utgjør mindre enn 1 %.
I henhold til produksjonsbetingelsene og -metodene: karbonfiber (800-1600 ℃), grafittfiber (2000-3000 ℃), aktivert karbonfiber, dampdyrket karbonfiber.
I henhold til de mekaniske egenskapene kan den deles inn i generell type og høyytelsestype: styrken til generell type karbonfiber er omtrent 1000MPa, og modulen er omtrent 100GPa;Høyytelsestype kan deles inn i høystyrketype (styrke 2000mPa, modul 250gpa) og høymodell (modul 300gpa eller mer), blant hvilke styrken større enn 4000mpa også kalles ultrahøystyrketype, og modulen større enn 450gpa er kalt ultrahøy modell.
I henhold til størrelsen på slep, kan det deles inn i lite slep og stort slep: lite slep karbonfiber er hovedsakelig 1K, 3K og 6K i det innledende stadiet, og utviklet seg gradvis til 12K og 24K, som hovedsakelig brukes i romfart, sport og fritidsfelt.Karbonfibre over 48K kalles vanligvis store karbonfibre, inkludert 48K, 60K, 80K, etc., som hovedsakelig brukes i industrielle felt.
Strekkfasthet og strekkmodul er to hovedindekser for å evaluere egenskapene til karbonfiber.Basert på dette kunngjorde Kina den nasjonale standarden for PAN-basert karbonfiber (GB / t26752-2011) i 2011. På samme tid, på grunn av Torays absolutte ledende fordel i den globale karbonfiberindustrien, tar de fleste innenlandske produsenter også i bruk Torays klassifiseringsstandard som referanse.
1.2 høye barrierer gir høy merverdi.Å forbedre prosessen og realisere masseproduksjon kan redusere kostnadene betydelig og øke effektiviteten
1.2.1 industriens tekniske barriere er høy, forløperproduksjonen er kjernen, og karbonisering og oksidasjon er nøkkelen
Produksjonsprosessen av karbonfiber er kompleks, noe som krever høyt utstyr og teknologi.Kontrollen av presisjon, temperatur og tid for hver kobling vil i stor grad påvirke kvaliteten på sluttproduktet.Polyakrylnitril karbonfiber har blitt den mest brukte og den høyeste produksjonskarbonfiberen for tiden på grunn av sin relativt enkle tilberedningsprosess, lave produksjonskostnader og praktiske avhending av tre avfall.Hovedråmaterialet propan kan lages av råolje, og PAN-karbonfiberindustrikjeden inkluderer en komplett produksjonsprosess fra primærenergi til terminalapplikasjon.
Etter at propan var fremstilt fra råolje, ble propylen oppnådd ved selektiv katalytisk dehydrogenering (PDH) av propan;
Akrylnitril ble oppnådd ved ammoksidasjon av propylen.Polyakrylnitril (Pan) forløper ble oppnådd ved polymerisering og spinning av akrylnitril;
Polyakrylnitril er forhåndsoksidert, karbonisert ved lav og høy temperatur for å oppnå karbonfiber, som kan gjøres til karbonfiberstoff og karbonfiberprepreg for produksjon av karbonfiberkompositter;
Karbonfiber kombineres med harpiks, keramikk og andre materialer for å danne karbonfiberkompositter.Til slutt oppnås sluttproduktene for nedstrømsapplikasjoner ved forskjellige støpeprosesser;
Kvaliteten og ytelsesnivået til forløperen bestemmer direkte den endelige ytelsen til karbonfiber.Derfor blir det å forbedre kvaliteten på spinneløsningen og optimalisere faktorene for forløperdannelse nøkkelpunktene for å tilberede karbonfiber av høy kvalitet.
I følge "Forskning på produksjonsprosess av polyakrylnitrilbasert karbonfiberforløper" inkluderer spinneprosessen hovedsakelig tre kategorier: våtspinning, tørrspinning og tørr våtspinning.For tiden brukes våtspinning og tørr våtspinning hovedsakelig til å produsere polyakrylnitrilforløper i inn- og utland, blant annet våtspinning er den mest brukte.
Våtspinning ekstruderer først spinneløsningen fra spinnedysehullet, og spinneløsningen kommer inn i koagulasjonsbadet i form av liten strømning.Spinnemekanismen til polyakrylnitrilspinneløsning er at det er et stort gap mellom konsentrasjonen av DMSO i spinneløsning og koagulasjonsbad, og det er også et stort gap mellom konsentrasjonen av vann i koagulasjonsbad og polyakrylnitrilløsning.Under samspillet mellom de to konsentrasjonsforskjellene ovenfor, begynner væsken å diffundere i to retninger, og kondenserer til slutt til filamenter gjennom masseoverføring, varmeoverføring, faselikevektsbevegelse og andre prosesser.
Ved produksjon av forløper blir restmengden av DMSO, fiberstørrelse, monofilamentstyrke, modul, forlengelse, oljeinnhold og krymping av kokende vann nøkkelfaktorene som påvirker kvaliteten på forløperen.Med gjenværende mengde DMSO som et eksempel, har det innflytelse på de tilsynelatende egenskapene til forløperen, tverrsnittstilstanden og CV-verdien til det endelige karbonfiberproduktet.Jo lavere restmengde av DMSO, desto høyere ytelse har produktet.I produksjonen fjernes DMSO hovedsakelig ved vask, så hvordan kontrollere vasketemperatur, tid, mengde avsaltet vann og mengde vaskesyklus blir et viktig ledd.
Høykvalitets polyakrylnitril-forløper bør ha følgende egenskaper: høy tetthet, høy krystallinitet, passende styrke, sirkulært tverrsnitt, mindre fysiske defekter, glatt overflate og jevn og tett hudkjernestruktur.
Temperaturkontroll av karbonisering og oksidasjon er nøkkelen.Karbonisering og oksidasjon er et viktig trinn i produksjonen av karbonfibersluttprodukter fra forløper.I dette trinnet bør nøyaktigheten og temperaturområdet kontrolleres nøyaktig, ellers vil strekkstyrken til karbonfiberprodukter bli betydelig påvirket, og til og med føre til brudd på ledningen
Foroksidasjon (200-300 ℃): i foroksidasjonsprosessen oksideres PAN-forløperen sakte og mildt ved å påføre en viss spenning i den oksiderende atmosfæren, og danner et stort antall ringstrukturer på grunnlag av den rette kjeden av pannen, for å oppnå formålet med å tåle behandling ved høyere temperatur.
Karbonisering (maksimal temperatur ikke lavere enn 1000 ℃): karboniseringsprosessen bør utføres i inert atmosfære.I det tidlige stadiet av karbonisering brytes pannekjeden og tverrbindingsreaksjonen begynner;Med økningen i temperaturen begynner den termiske nedbrytningsreaksjonen å frigjøre et stort antall små molekylgasser, og grafittstrukturen begynner å dannes;Når temperaturen økte ytterligere, økte karboninnholdet raskt og karbonfiberen begynte å dannes.
Grafitisering (behandlingstemperatur over 2000 ℃): grafitisering er ikke en nødvendig prosess for produksjon av karbonfiber, men en valgfri prosess.Hvis høy elastisitetsmodul av karbonfiber forventes, er grafitisering nødvendig;Hvis høy styrke av karbonfiber forventes, er grafitisering ikke nødvendig.I grafitiseringsprosessen gjør høy temperatur at fiberen danner en utviklet grafittnettstruktur, og strukturen integreres ved tegning for å få sluttproduktet.
Høye tekniske barrierer gir nedstrømsproduktene høy merverdi, og prisen på flykompositter er 200 ganger høyere enn prisen på råsilke.På grunn av den høye vanskeligheten med karbonfiberfremstilling og kompleks prosess, jo mer nedstrøms produktene er, jo høyere merverdi.Spesielt for de avanserte karbonfiberkomposittene som brukes i romfartsfeltet, fordi nedstrømskundene har svært strenge krav til pålitelighet og stabilitet, viser produktprisen også en geometrisk multippelvekst sammenlignet med vanlig karbonfiber.
Innleggstid: 22. juli 2021