Definiția și compoziția fibrei de carbon
Conținutul de carbon și proprietățile de bază Fibra de carbon (CF) este un nou tip de material de fibre cu fibre de mare rezistență și fibre de modul ridicat care conțin mai mult de 95% carbon. Este un material de grafit microcristalin obținut prin stivuirea fibrelor organice, cum ar fi microcristalele de grafit de fulgi de -a lungul direcției axiale a fibrelor, după carbonizare și grafitizare. Masa de fibre de carbon este mai ușoară decât aluminiul metalic, dar rezistența este mai mare decât oțelul și are caracteristicile rezistenței la coroziune, modulul ridicat, densitate scăzută, fără fluaj, o bună conductivitate electrică și termică, rezistență la temperaturi ultra-înalte la non -oxidarea mediilor și rezistență bună la oboseală.
Conținutul de carbon din fibra de carbon este un indicator important care îl distinge de alte materiale din fibră. În general, conținutul de carbon din fibra de carbon este mai mare de 90%, ceea ce face ca fibra de carbon în proprietăți fizice, cu o rezistență ridicată, un modul ridicat, densitate mică și alte caracteristici. Densitatea fibrei de carbon este de aproximativ 1,5 până la 2,0 grame pe centimetru cub, ceea ce este determinat în principal de temperatura tratamentului de carbonizare. După temperatură ridicată 3000 ℃ Tratament de grafitizare, densitatea de până la 2,0 grame pe centimetru cub.
Structura microcristalină și compoziția materialului
Structura microcristalină a fibrei de carbon este cheia proprietăților sale unice. Fibra de carbon este compusă în principal din carbon, forma sa are o anisotropie semnificativă, moale, poate fi prelucrată într -o varietate de țesături, de -a lungul direcției axei fibrelor prezintă o rezistență ridicată. Structura microcristalină a fibrei de carbon este similară cu grafitul artificial, care este o structură haotică de grafit. Distanța dintre straturile de fibre de carbon este de aproximativ 3,39 până la 3,42 Å. Aranjamentul atomilor de carbon între straturile paralele nu este la fel de îngrijit ca cel al grafitului, iar straturile sunt conectate între ele prin forțele van der Waals.
Structura fibrei de carbon este de obicei privită ca fiind constând din cristale și pori ordonate bidimensionale, în care conținutul, dimensiunea și distribuția porilor au un impact mai mare asupra performanței fibrei de carbon. Când porozitatea este sub o anumită valoare critică, porozitatea nu are niciun efect semnificativ asupra rezistenței la forfecare interlaminară, a rezistenței la îndoire și a rezistenței la tracțiune a compozitelor din fibră de carbon. Unele studii au subliniat că porozitatea critică care provoacă o scădere a proprietăților mecanice ale materialului este de 1%-4%.
În structura microcristalină a fibrelor de carbon, dimensiunea microcrystalului de grafit și distanțarea stratului sunt doi parametri importanți. Fibrele de carbon cu modul ridicat au o structură de cristal de grafit tridimensional comandat local, cu mai puține defecte lamele de grafit, stivuire mai strânsă și conținut mai mare de carbon. În timpul prepararii fibrelor de carbon cu modul ridicat din fibre de carbon cu rezistență mare, pierderea rezistenței este evidentă pe măsură ce modulul fibrelor de carbon crește, ceea ce este strâns legat de evoluția structurii microcristaline. Formarea și evoluția structurilor microcristaline și a porilor fibrelor de carbon afectează în comun proprietățile fibrelor de carbon.
Clasificarea fibrelor de carbon
Clasificarea fibrei de carbon de materii prime fibre Systemcarbon este clasificată în principal în trei categorii majore în funcție de sistemul de materii prime: fibra de carbon bazată pe poliacrilonitril (PAN), fibră de carbon pe bază de asfalt și fibră de carbon pe bază de vâscoză, fiecare având fiecare dintre acestea Sursa unică de materii prime și proces de pregătire.
Fibra de carbon bazată pe PAN: este produsul principal pe piața actuală, reprezentând mai mult de 90% din producția totală globală de fibre de carbon. Fibrele de carbon pe bază de pană au devenit cel mai promițător precursor pentru producerea de înaltă performanță de carbon de înaltă performanță Fibre datorită procesului de producție simplu, costului mai mic, ratei de absorbție a carbonizării mai mari, proprietăților mecanice excelente și alte caracteristici. Principala sa materie primă este acrilonitrilul, iar protofilamentul PAN este preparat prin procesul de polimerizare și filare, apoi este transformat în fibră de carbon prin procesul de pre-oxidare, carbonizare și grafitizare.
Fibra de carbon pe bază de asfalt: Luați asfaltul ca materie primă, după modulare, filare, tratament care nu se topește, tratament de carbonizare sau grafitizare și alte etape de făcut. Fibra de carbon pe bază de asfalt are un randament ridicat de carbon, dar modularea materiilor prime este complexă, performanța produsului este scăzută, iar scara curentă este mică. Fibrele de carbon pe bază de pas au avantaje în modulul, frecarea și conductivitatea termică și, prin urmare, au aplicații în aerospațial.
Fibra de carbon pe bază de vâscoză: Fabricat din raion ca materie primă, prin procesul de randament scăzut de carbonizare, dificultate tehnică, echipamente complexe și costuri ridicate. Fibra de carbon pe bază de vâscoză este utilizată în principal pentru materiale rezistente la ablație și materiale de izolare a căldurii. Deoarece materia primă este un produs natural și nu conține ioni metalici, are avantaje de neînlocuit în câmpuri specifice, cum ar fi materiale de izolare a căldurii pentru arme strategice, materiale de protecție a vestimentarelor cu unde anti-statice și anti-electromagnetice.
Clasificarea după performanță fibra de carbon este clasificată după performanță, bazată în principal pe rezistența la tracțiune și modulul de tracțiune, care sunt doi indici de proprietăți mecanice și pot fi împărțite în model general, de înaltă rezistență (GQ), model mediu de înaltă rezistență (model mediu de înaltă rezistență ( Qz), model mare (m) și așa mai departe.
Fibra de carbon cu scop general: are proprietăți mecanice de bază și este potrivit pentru aplicații industriale generale, cum ar fi echipamente sportive, piese auto etc.
Fibra de carbon de înaltă rezistență: are o rezistență la tracțiune mai mare decât cu scop general, utilizată pe scară largă în echipamente aerospațiale, militare etc., dintre care modelele T300, T700, T800, etc. sunt fibre comune de carbon de înaltă rezistență.
Fibra de carbon cu model mediu de înaltă rezistență: Pe lângă rezistență ridicată, are, de asemenea, anumite caracteristici ridicate ale modulului, potrivite pentru aplicațiile care necesită rezistență și rigiditate ridicată.
Fibra de carbon cu model ridicat: caracterizată prin modul ridicat, cum ar fi M40, M60 și alte modele, este utilizat în principal pentru aplicații care necesită o rigiditate ridicată, cum ar fi componente structurale din satelit, componente ale rulmentului principal al aeronavelor etc.
Fibrele de carbon cu proprietăți diferite sunt realizate prin diferite procese de preparare și condiții de tratare termică pentru a îndeplini cerințele specifice pentru proprietățile din diferite aplicații. Odată cu progresul tehnologiei și extinderea zonelor de aplicare, clasificarea performanței fibrei de carbon este, de asemenea, rafinată și îmbunătățită.
Proces de fabricație a fibrelor de carbon
Proces de filare
Fabricarea fibrelor de carbon începe cu procesul de filare, un pas în care materialele precursoare, cum ar fi polimerii organici, cum ar fi poliacrilonitrilul (PAN), sunt transformate chimic în formă de fibre.
Procesul de filare este de obicei clasificat ca învârtire umedă, filare uscată și învârtire umedă/uscată.
Spinarea umedă: În filarea umedă, soluția de polimer este extrudată prin găurile spinneret într -o baie de coagulare, unde coagularea este obținută prin difuzarea solventului. Această metodă are o viteză scăzută de producție și este un proces complex, dar poate produce fibre cu o suprafață netedă și uniformă. S-a studiat că suprafața fibrelor de carbon cu spargere umedă are caneluri semnificative, ceea ce poate afecta proprietățile lor compozite ulterioare.
Spinarea uscată: În rotire uscată, soluția de polimer este apăsată din spinneret și direct în canalul de filare, fluxul de aer cald în canal determină evaporarea solventului rapid, iar întărirea are loc după solvent Lichidul original se evaporă. Spinarea uscată este capabilă de producție continuă, viteză de filare rapidă, producție mare, poluare mai mică a mediului, o calitate mai bună a fibrelor și rezistență chimică și proprietăți de vopsire.
Spinarea umedă și uscată: Combinând caracteristicile metodelor uscate și umede, stocul de filare este presat din spinneret și apoi trece printr -o secțiune de strat de aer înainte de a intra în baia de coagulare. Acest proces are o productivitate ridicată, produce fibre de carbon de bună calitate și are costuri reduse de producție. Viscozitatea soluției de filare uscată și umedă de până la 50 ~ 100 pa - s, poate îmbunătăți concentrația soluției de filare de filare, poate reduce recuperarea solvenților și a consumului de unități.
Stabilizare
Tratamentul de stabilizare este un pas cheie în procesul de fabricație a fibrelor de carbon, scopul principal este îmbunătățirea stabilității termice a fibrelor precursoare, în pregătirea procesului ulterior de carbonizare. În această etapă, fibrele precursoare sunt încălzite la 200-300 ° C în aer pentru a promova reacțiile de oxidare și formarea unei structuri trapezoidale, îmbunătățind astfel stabilitatea termică a fibrelor.
Stabilitatea oxidativă: Fibrele stabilizate prezintă o stabilitate oxidativă mai bună, ceea ce facilitează utilizarea acestora în condiții dure. Studiile au arătat că fibrele de carbon bazate pe PAN stabilizate au un grad redus de ciclizare, o rată mai rapidă de descompunere termică și un randament final de carbon mai mic.
Efectul de tratare termică: Timpul și temperatura tratamentului de stabilizare au un efect semnificativ asupra proprietăților fibrelor de carbon. În general, timpul de tratament de stabilizare este măsurat în câteva ore, dar timpul de carbonizare este un ordin de mărime mai scurt, măsurat în câteva minute. Fibrele suferă un tratament de stabilizare care duce la o pierdere semnificativă în greutate și o reducere a diametrului.
Tratament de carbonizare și grafitizare
Tratamentele de carbonizare și grafitizare sunt etapele finale de tratare termică în procesul de fabricație a fibrelor de carbon și împreună determină proprietățile finale ale fibrei de carbon.
Carbonizare: În timpul procesului de carbonizare, filamentul preoxigenat al PAN se află într-o atmosferă inertă și este încălzit treptat de la 400 ° C la 1600 ° C, trecând prin cele două regiuni de carbonizare la temperaturi scăzute 400-1000 ° C și carbonizare la temperatură ridicată 1000-1600 ° C. Filamentul preoxigenat al PAN este încălzit treptat de la 400 ° C la 1600 ° C. În această temperatură, elementele non-carbon, cum ar fi N, H și O, în filamentul preoxigenat, sunt eliberate din fibră pentru a produce fibre de carbon cu mai mult de 90% conținut de carbon.
Grafitizare: Grafitizarea Tratamentul este de obicei efectuat la o temperatură ridicată de 2.500 până la 3.000 ° C pentru a forma o structură de cristal de grafit tridimensională obișnuită dintr-o structură lamelară de grafit haotic în interiorul fibrei de carbon. Acest proces poate crește semnificativ modulul de tracțiune al fibrelor de carbon, astfel încât fibrele de carbon grafitizate sunt utilizate pe scară largă în tehnologii aerospațiale și în alte tehnologii de ultimă oră.
Evoluția microstructurii: În timpul procesului de grafitizare, microstructura fibrelor de carbon suferă modificări semnificative, microcristalele de grafit crescând ca mărime și distanțarea stratului în scădere, abordând distanța ideală a stratului de cristale de grafit de 0,335 N.Abane, aceste modificări duc la îmbunătățiri semnificativ Proprietățile mecanice și termice ale fibrelor de carbon.
