Hiilikuitu – materiaali mustakulta, korkeat teollisuuden esteet ja korkea tuotteen lisäarvo

1. Hiilikuitu on jäykkää ja joustavaa, ja sitä käytetään laajasti loppupään sovelluksissa

Aineellisen kehityksen historia liittyy läheisesti ihmisen kehityksen historiaan, ja uudet materiaalit ovat voimakas liikkeellepaneva voima ihmiskunnalle siirtyä "luonnonvaltakunnasta" "vapauteen". Materiaalit määritellään yleensä aineiksi, joista valmistetaan hyödyllisiä esineitä, ja ihmisen kyky tunnistaa ja hyödyntää materiaaleja määrää suoraan ihmisen yhteiskunnallisen muodon ja elintason. Nykyään materiaaleista, energiasta ja tiedosta on tullut sosiaalisen sivilisaation ja kansantalouden kolme pilaria, ja niiden joukossa materiaalit ovat tieteen ja teknologian kehityksen aineellinen perusta ja teknologinen johtaja.

Koko materiaalikehityksen historian ajan se voidaan tiivistää kuuteen kehitysjaksoon kivityökalut / pronssityökalut / rautatyökalut / teräs / pii / uudet materiaalit ajallisesti. Niiden joukossa uuden teknologian vallankumouksen avautuessa 1900-luvun jälkipuoliskolla uusista materiaaleista on tullut vauhtia eri korkean teknologian alojen kehitykselle. Esimerkiksi tietotekniikka perustuu puolijohdemateriaalien teolliseen tuotantoon, ja ilmailuteollisuus vaatii suuren määrän korkeita lämpötiloja ja lujia rakennemateriaaleja. Se on sovitettu sen kanssa, ja nykyaikainen valokuituviestintä perustuu vähän kuluttavaan optiseen kuituun.

2000-luvun uusien materiaalien kuninkaana tunnettu hiilikuitu on materiaalikruunun loistava jalokivi. Hiilikuitu (lyhennettynä CF) on epäorgaaninen kuitu, jonka hiilipitoisuus on yli 90 prosenttia. Se valmistetaan krakkaamalla ja karbonoimalla orgaanisia kuituja (viskoosipohjaiset, pihkapohjaiset, polyakryylinitriilipohjaiset kuidut jne.) korkeassa lämpötilassa hiilirunkomekanismin muodostamiseksi. Uuden sukupolven vahvistuskuituina hiilikuiduilla on erinomaiset mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet, niillä ei ole vain hiilimateriaalien luontaisia ​​ominaisuuksia, vaan niillä on myös tekstiilikuitujen pehmeä prosessoitavuus, joten niitä käytetään laajalti ilmailussa, energialaitteissa, kuljetuksissa, Urheilu. Vapaa-aika ja muut alat:

Kevyt: Strategisena uutena materiaalina, jolla on erinomainen suorituskyky, hiilikuidun tiheys on periaatteessa sama kuin magnesiumin ja berylliumin, ja se on alle 1/4 teräksen tiheydestä. Hiilikuitukomposiittimateriaalin käyttäminen rakennemateriaalina voi vähentää rakennemassaa 30 prosenttia -40 prosenttia.

Suuri lujuus ja korkea moduuli: hiilikuidun ominaislujuus on 5 kertaa korkeampi kuin teräksen ja 4 kertaa korkeampi kuin alumiiniseoksen; ominaismoduuli on 1.3-12.3 kertaa muihin rakennemateriaaleihin verrattuna.

Pieni laajenemiskerroin: Useimpien hiilikuitujen lämpölaajenemiskerroin on negatiivinen huoneenlämmössä, 0 200-400 asteessa ja vain 1,5 × 10-6 /K, kun se on alle 1000 astetta, joten se ei ole helppo laajentaa ja muotoilla korkean työlämpötilan vuoksi.

Hyvä kemiallinen korroosionkestävyys: Hiilikuidussa on korkea pitoisuus puhdasta hiiltä, ​​ja hiili on yksi vakaimmista kemiallisista alkuaineista, mikä tekee siitä erittäin vakaan happamissa ja emäksissä ympäristöissä, ja siitä voidaan valmistaa erilaisia ​​kemiallisia korroosionestotuotteita.

Vahva väsymiskestävyys: Hiilikuiturakenne on vakaa. Polymeeriverkoston tilastojen mukaan komposiittimateriaalin lujuuden säilyvyysaste on miljoonien jännitysväsymisjaksojen jälkeen edelleen 60 prosenttia, kun teräksellä 40 prosenttia, alumiinilla 30 prosenttia ja lasikuituvahvisteisella muovilla 30 prosenttia. Sitten vain 20 prosenttia -25 prosenttia .

Hiilikuitukomposiittimateriaalit vahvistetaan uudelleen hiilikuidun pohjalta. Vaikka hiilikuitua voidaan käyttää yksinään ja suorittaa tiettyjä tehtäviä, se on loppujen lopuksi hauras materiaali. Ainoastaan ​​yhdistettynä matriisimateriaaliin hiilikuitukomposiittimateriaaliksi, sillä voidaan saavuttaa parempia mekaanisia ominaisuuksia ja kantaa enemmän kuormia.

Hiilikuidut voidaan luokitella eri mittojen mukaan, kuten esiastetyypin, valmistusmenetelmän ja suorituskyvyn mukaan:

Raakasilkin tyypin mukaan: polyakryylinitriilipohjainen (PAN), pihkapohjainen (isotrooppinen, mesofaasi); viskoosipohjainen (selluloosapohjainen, viskoosipohjainen). Niistä polyakryylinitriili (PAN) -pohjainen hiilikuitu on valtavirran puolella, ja tuotannon osuus on yli 90 prosenttia koko hiilikuidusta, ja viskoosipohjainen hiilikuitu on alle 1 prosentti.

Luokittelu valmistusolosuhteiden ja -menetelmien mukaan: hiilikuitu (800-1600 aste ), grafiittikuitu (2000-3000 aste ), aktiivihiilikuitu, höyryssä kasvatettu hiilikuitu.

Mekaanisten ominaisuuksien mukaan se voidaan jakaa yleiskäyttöiseen tyyppiin ja korkean suorituskyvyn tyyppiin: yleiskäyttöisen hiilikuidun lujuus on 1000 MPa ja moduuli noin 100 GPa;), jossa yli 4000 MPa:n lujuutta kutsutaan myös ultrakorkea lujuustyyppi, ja moduulia, joka on suurempi kuin 450 GPa, kutsutaan ultrakorkeaksi malliksi.

Rouvin koon mukaan se voidaan jakaa pieneen hinaukseen ja isoon hinaukseen: pieni hinattava hiilikuitu on alkuvaiheessa pääasiassa 1K, 3K, 6K ja kehittyy vähitellen 12K ja 24K, jota käytetään pääasiassa ilmailussa, urheilu- ja vapaa-ajan kentät. Yli 48K hiilikuituja kutsutaan yleensä suuriksi hiilikuiduiksi, mukaan lukien 48K, 60K, 80K jne., joita käytetään pääasiassa teollisuudessa.

Vetolujuus ja vetomoduuli ovat kaksi tärkeintä indikaattoria hiilikuidun suorituskyvyn mittaamiseksi. Tämän perusteella maani julkaisi vuonna 2011 kansallisen standardin polyakryylinitriiliin (PAN) perustuvalle hiilikuidulle (GB/T26752-2011). Samaan aikaan, koska Japanin Toraylla on ehdoton johtava etu maailmanlaajuisesti. hiilikuituteollisuus, useimmat kotimaiset valmistajat ottavat myös Japanin Torayn luokitusstandardin viitteeksi.

2. Korkeat tekniset esteet teollisuudessa, raakasilkin tuotanto on ydin, hiiltyminen ja hapetus on avainasemassa

Hiilikuidun valmistusprosessi on monimutkainen ja vaatii erittäin korkeaa laitteistoa ja teknologiaa. Kunkin linkin tarkkuuden, lämpötilan ja ajan hallinta vaikuttaa suuresti lopputuotteen laatuun. Polyakrylonitriilihiilikuiduista on tullut hiilikuitu, jolla on laajin käyttöalue ja suurin tuotto tässä vaiheessa suhteellisen yksinkertaisen valmistusprosessin, alhaisten tuotantokustannusten ja kolmen jätteen kätevän hävittämisen ansiosta. Sen pääraaka-aine, propaani, voidaan saada raakaöljystä, ja polyakryylinitriilihiilikuituteollisuusketju sisältää täydellisen valmistusprosessin primäärienergiasta loppukäyttöön.

Propaanin valmistuksen jälkeen raakaöljystä propaania voidaan saada selektiivisellä katalyyttisellä dehydrauksella (PDH);

Akryylinitriiliä saadaan propeenin ammoksidoinnin jälkeen, ja polyakrylonitriilin (PAN) esiaste saadaan akryylinitriilin polymeroinnin ja kehruun jälkeen;

Polyakryylinitriili esihapetetaan, hiiltyy alhaisessa lämpötilassa ja korkeassa lämpötilassa hiilikuidun saamiseksi, ja siitä voidaan valmistaa hiilikuitukankaa ja hiilikuituprepreg hiilikuitukomposiittimateriaalien tuotantoa varten;

Hiilikuitu yhdistetään hartsin, keramiikan ja muiden materiaalien kanssa hiilikuitukomposiittimateriaalien muodostamiseksi, ja lopuksi loppupään sovellusten vaatimat lopputuotteet saadaan erilaisilla muovausprosesseilla;

Esiasteen laatu ja suoritustaso määräävät suoraan hiilikuidun lopullisen suorituskyvyn. Siksi kehruuliuoksen laadun parantamisesta ja esikuidun muodostuksen eri tekijöiden optimoinnista on tullut keskeisiä solmukohtia korkealaatuisten hiilikuitujen valmistuksessa.

"Polyakryylinitriilipohjaisen hiilikuituprekursorin tuotantoprosessia koskevan tutkimuksen" mukaan kehruuprosessi sisältää pääasiassa kolme luokkaa: märkäkehruu, kuivakehru ja kuiva-märkäkehru. Tällä hetkellä polyakryylinitriilin esiasteiden tuotantoprosessissa kotimaassa ja ulkomailla käytetään pääasiassa märkäkehruuta ja kuiva-märkäkehruuta, joista märkäkehruu on laajimmin käytetty.

Märkäkehruuksessa kehruuliuos puristetaan ensin kehruureiästä ja kehruuliuos menee koagulointikylpyyn hienona virtana. Polyakryylinitriilin kehruuliuoksen kehruumekanismi on: kehruuliuoksen ja koagulointikylvyn DMSO:n (dimetyylisulfoksidin) pitoisuuden välillä on suuri ero, ja myös veden pitoisuus koagulaatiokylvyssä ja polyakryylinitriililiuoksessa on valtava. aukko. Yllä olevien kahden pitoisuuseron vuorovaikutuksessa nesteet alkavat diffundoitua molempiin suuntiin ja lopulta tiivistyä filamenteiksi prosessien, kuten massansiirron, lämmönsiirron ja faasitasapainoliikkeen, kautta.

Jäännös-DMSO, hienous, monofilamentin lujuus, moduuli, venymä, öljypitoisuus ja kiehuvan veden kutistuminen raakasilkin tuotannossa ovat avaintekijöitä, jotka vaikuttavat raakasilkin laatuun. Ottamalla esimerkkinä DMSO:n jäännösmäärä, sillä on vaikutusta esiasteen näennäisiin ominaisuuksiin, poikkileikkauksen tilaan ja lopullisen hiilikuitutuotteen CV-arvoon. Mitä pienempi DMSO:n jäännösmäärä on, sitä parempi on tuotteen suorituskyky. Tuotannossa DMSO poistetaan pääosin pesemällä, joten pesulämpötilan, -ajan, suolanpoistoveden määrän ja pesukierron määrän hallinnasta tulee tärkeä linkki.

Laadukkailla polyakryylinitriilin esiasteilla tulee olla seuraavat ominaisuudet: suuri tiheys, korkea kiteisyys, sopiva lujuus, pyöreä poikkileikkaus, vähemmän fysikaalisia vikoja ja samalla sileä pinta ja tasainen ja tiheä kuorirakenne.

Hiiltymisen ja hapettumisen lämpötilan hallinta on avainasemassa. Hiiletys ja hapetus on olennainen linkki raakasilkin tuotannossa hiilikuitujen lopputuotteiksi. Tässä linkissä lämpötilan tarkkuus ja alue on säädettävä tarkasti, muuten hiilikuitutuotteiden vetolujuus vaikuttaa merkittävästi ja jopa lanka katkeaa:

Esihapetus (200-300 aste): Esihapetusprosessissa PAN-esiaste hapettuu hitaasti ja lievästi käyttämällä tiettyä jännitystä hapettavassa ilmakehässä, ja siihen muodostuu suuri määrä renkaaksi pakattuja rakenteita. PAN-suoraketjun perusteella, jotta se kestää korkeamman lämpötilan käsittelyä.

Hiiletys (maksimilämpötila vähintään 1000 astetta): Hiiltymisprosessi on suoritettava inertissä ilmakehässä. Hiiltymisen alkuvaiheessa PAN:n suora ketju katkeaa ja silloitusreaktio alkaa; lämpötilan vähitellen noustessa alkaa lämpöhajoamisreaktio, joka vapauttaa suuren määrän pienmolekyylistä kaasua ja grafiittirakenne alkaa muodostua; lämpötilan noustessa edelleen hiilipitoisuus kasvaa nopeasti ja hiilikuitua alkaa muodostua.

Grafitisointi (käsittelylämpötila yli 2000 astetta): Grafitisointi ei ole välttämätön prosessi hiilikuidun valmistuksessa, vaan valinnainen linkki. Jos hiilikuidulla odotetaan olevan korkea kimmokerroin, vaaditaan grafitointi; jos hiilikuidun odotetaan saavuttavan suurta lujuutta, grafitointia ei tarvita. Grafitisointiprosessissa korkea lämpötila aiheuttaa kehittyneen grafiittiverkkorakenteen muodostumisen kuidun sisään ja rakenne normalisoidaan vetämällä lopputuotteen saamiseksi.

Korkeat tekniset esteet antavat loppupään tuotteille korkean lisäarvon, ja ilmailu- ja avaruuskomposiittimateriaalien hinta on 200 kertaa korkeampi kuin raakasilkin. Hiilikuidun valmistuksen vaikeudesta ja monimutkaisesta prosessista johtuen mitä enemmän sen tuotteet ovat loppupäässä, sitä korkeampi on lisäarvo, erityisesti ilmailu- ja avaruusteollisuudessa käytetyt huippuluokan hiilikuitukomposiittimateriaalit. Koska loppupään asiakkailla on erittäin tiukat vaatimukset luotettavuudelle ja vakaudelle, tuotteen hinta on myös geometrisesti korkeampi verrattuna tavalliseen hiilikuituun.