Fibra tal-Karbonju - Materjal Deheb Iswed, Bi Ostakoli Għoli għall-Industrija U Valur Miżjud tal-Prodott Għoli

1. Il-fibra tal-karbonju hija riġida u flessibbli, u tintuża ħafna f'applikazzjonijiet downstream

L-istorja tal-iżvilupp materjali hija relatata mill-qrib mal-istorja tal-iżvilupp tal-bniedem, u materjali ġodda huma forza qawwija ta 'sewqan għall-umanità biex timxi mill-"renju naturali" għall-"libertà". Il-materjali huma ġeneralment definiti bħala sustanzi użati biex jagħmlu oġġetti utli, u l-abbiltà tal-bniedem li jagħraf u juża materjali tiddetermina direttament il-forma soċjali u l-istandards tal-għajxien tal-bniedem. Fi żminijiet kontemporanji, materjali, enerġija u informazzjoni saru t-tliet pilastri taċ-ċiviltà soċjali u l-ekonomija nazzjonali, u fosthom, il-materjali huma l-bażi materjali u l-mexxej teknoloġiku tal-iżvilupp tax-xjenza u t-teknoloġija.

Matul l-istorja kollha tal-iżvilupp tal-materjal, jista 'jiġi mqassar f'sitt perjodi ta' żvilupp ta 'għodod tal-ġebel/għodod tal-bronż/għodod tal-ħadid/azzar/silikon/materjali ġodda f'termini ta' żmien. Fosthom, bil-ftuħ tar-rivoluzzjoni tat-teknoloġija l-ġdida fit-tieni nofs tas-seklu 20, materjali ġodda saru booster għall-iżvilupp ta 'diversi oqsma ta' teknoloġija għolja. Pereżempju, it-teknoloġija tal-kompjuter tiddependi fuq il-produzzjoni industrijali ta 'materjali semikondutturi, u l-industrija aerospazjali teħtieġ numru kbir ta' materjali strutturali ta 'temperatura għolja u ta' saħħa għolja. Hija mqabbla magħha, u l-komunikazzjoni moderna tal-fibra ottika hija bbażata fuq fibra ottika ta 'konsum baxx.

Il-fibra tal-karbonju, magħrufa bħala r-re ta 'materjali ġodda fis-seklu 21, hija ġojjell brillanti fil-kuruna tal-materjal. Il-fibra tal-karbonju (CF fil-qosor) hija fibra inorganika b'kontenut ta 'karbonju ta' aktar minn 90 fil-mija. Huwa ppreparat permezz ta 'qsim u karbonizzazzjoni ta' fibri organiċi (fibri bbażati fuq il-viscose, żift, fibri bbażati fuq polyacrylonitrile, eċċ.) F'ambjent ta 'temperatura għolja biex jiffurmaw mekkaniżmu tas-sinsla tal-karbonju. Bħala ġenerazzjoni ġdida ta 'fibri ta' rinfurzar, fibri tal-karbonju għandhom proprjetajiet mekkaniċi u kimiċi eċċellenti, mhux biss għandhom il-karatteristiċi inerenti ta 'materjali tal-karbonju, iżda għandhom ukoll il-proċessabbiltà ratba ta' fibri tat-tessuti, għalhekk huma użati ħafna fl-ajruspazju, tagħmir tal-enerġija, trasport, sportivi. Divertiment u oqsma oħra:

Piż ħafif: Bħala materjal strateġiku ġdid b'rendiment eċċellenti, id-densità tal-fibra tal-karbonju hija bażikament l-istess bħal dik tal-manjeżju u tal-berillju, u hija inqas minn 1/4 ta 'dik tal-azzar. L-użu ta 'materjal kompost tal-fibra tal-karbonju bħala materjal strutturali jista' jnaqqas il-massa strutturali bi 30 fil-mija -40 fil-mija.

Saħħa għolja u modulu għoli: Is-saħħa speċifika tal-fibra tal-karbonju hija 5 darbiet ogħla minn dik tal-azzar u 4 darbiet ogħla minn dik tal-liga tal-aluminju; il-modulu speċifiku huwa 1.3-12.3 darbiet dak ta 'materjali strutturali oħra.

Koeffiċjent ta 'espansjoni żgħira: Il-koeffiċjent ta' espansjoni termali tal-biċċa l-kbira tal-fibri tal-karbonju huwa negattiv f'temperatura tal-kamra, 0 fi 200-400 grad , u 1.5 × 10-6 /K biss meta jkun inqas minn 1000 grad , għalhekk mhuwiex faċli li tespandi u tiddeforma minħabba temperatura għolja tax-xogħol.

Reżistenza tajba għall-korrużjoni kimika: Il-fibra tal-karbonju għandha kontenut għoli ta 'karbonju pur, u l-karbonju huwa wieħed mill-elementi kimiċi l-aktar stabbli, li jagħmilha stabbli ħafna f'ambjenti aċidi u alkali, u tista' ssir f'diversi prodotti kimiċi kontra l-korrużjoni.

Reżistenza qawwija għall-għeja: L-istruttura tal-fibra tal-karbonju hija stabbli. Skont l-istatistika tan-netwerk tal-polimeru, ir-rata ta 'żamma tas-saħħa tal-materjal kompost għadha 60 fil-mija wara miljuni ta' ċikli ta 'għeja tal-istress, meta mqabbla ma' 40 fil-mija għall-azzar, 30 fil-mija għall-aluminju, u 30 fil-mija għall-plastik rinfurzat bil-fibra tal-ħġieġ. Imbagħad 20 fil-mija biss -25 fil-mija .

Materjali komposti tal-fibra tal-karbonju jerġgħu jissaħħu fuq il-bażi tal-fibra tal-karbonju. Għalkemm il-fibra tal-karbonju tista 'tintuża waħedha u twettaq funzjonijiet speċifiċi, hija materjal fraġli wara kollox. Huwa biss meta jkun magħqud mal-materjal tal-matriċi biex jifforma materjal kompost tal-fibra tal-karbonju jista 'jeżerċita proprjetajiet mekkaniċi aħjar u jġorr aktar tagħbijiet.

Il-fibri tal-karbonju jistgħu jiġu kklassifikati skont dimensjonijiet differenti bħat-tip ta' prekursur, il-metodu tal-manifattura, u l-prestazzjoni:

Skond it-tip ta 'ħarir mhux maħdum: polyacrylonitrile (PAN) ibbażat, żift ibbażat (isotropiku, mesophase); ibbażat fuq il-viscose (ibbażat fuq iċ-ċelluloża, ibbażat fuq ir-rejon). Fost dawn, il-fibra tal-karbonju bbażata fuq polyacrylonitrile (PAN) tokkupa l-pożizzjoni mainstream, bl-output jammonta għal aktar minn 90 fil-mija tal-fibra tal-karbonju totali, u l-fibra tal-karbonju bbażata fuq il-viscose hija inqas minn 1 fil-mija.

Klassifikazzjoni skont il-kundizzjonijiet u l-metodi tal-manifattura: fibra tal-karbonju (800-1600 grad ), fibra tal-grafita (2000-3000 grad ), fibra tal-karbonju attivat, fibra tal-karbonju mkabbra bil-fwar.

Skont il-proprjetajiet mekkaniċi, jista 'jinqasam f'tip ta' għan ġenerali u tip ta 'prestazzjoni għolja: fibra tal-karbonju għal skopijiet ġenerali għandha qawwa ta' 1000MPa u modulu ta 'madwar 100GPa;), fejn is-saħħa akbar minn 4000MPa tissejjaħ ukoll it-tip ta 'qawwa ultra-għolja, u l-modulus akbar minn 450GPa jissejjaħ il-mudell ultra-għoli.

Skont id-daqs tal-irmonk, jista 'jinqasam fi stoppa żgħira u stoppa kbira: fibra tal-karbonju tal-irmonk żgħira hija prinċipalment 1K, 3K, 6K fl-istadju inizjali, u żviluppata gradwalment f'12K u 24K, li tintuża prinċipalment fl-ajruspazju, oqsma sportivi u ta' divertiment. Fibri tal-karbonju 'l fuq minn 48K normalment jissejħu fibri kbar tal-karbonju tal-irmonk, inklużi 48K, 60K, 80K, eċċ., Li jintużaw prinċipalment f'oqsma industrijali.

Is-saħħa tat-tensjoni u l-modulu tat-tensjoni huma ż-żewġ indikaturi l-aktar importanti biex titkejjel il-prestazzjoni tal-fibra tal-karbonju. Ibbażat fuq dan, pajjiżna ppromulga l-"Istandard Nazzjonali għall-Fibra tal-Karbonju (GB/T26752-2011) ibbażata fuq il-Polyacrylonitrile (PAN)" fl-2011. Fl-istess ħin, minħabba li t-Toray tal-Ġappun għandu vantaġġ ewlieni assolut fid-dinja industrija tal-fibra tal-karbonju, il-biċċa l-kbira tal-manifatturi domestiċi jadottaw ukoll l-istandard ta 'klassifikazzjoni tat-Toray tal-Ġappun bħala referenza.

2.Ostakoli tekniċi għoljin fl-industrija, il-produzzjoni tal-ħarir mhux maħdum hija l-qalba, il-karbonizzazzjoni u l-ossidazzjoni hija ċ-ċavetta

Il-proċess tal-produzzjoni tal-fibra tal-karbonju huwa kumpless u jeħtieġ tagħmir u teknoloġija estremament għolja. Il-kontroll tal-eżattezza, it-temperatura u l-ħin ta 'kull rabta se jaffettwa ħafna l-kwalità tal-prodott finali. Il-fibra tal-karbonju polyacrylonitrile saret il-fibra tal-karbonju bl-aktar qasam ta 'applikazzjoni wiesa' u l-ogħla produzzjoni f'dan l-istadju minħabba l-proċess ta 'preparazzjoni relattivament sempliċi tagħha, spiża baxxa ta' produzzjoni u rimi konvenjenti ta 'tliet skart. Il-materja prima ewlenija tagħha, il-propan, tista 'tinkiseb miż-żejt mhux raffinat, u l-katina tal-industrija tal-fibra tal-karbonju tal-polyacrylonitrile tinkludi proċess komplet ta' manifattura mill-enerġija primarja għal applikazzjonijiet ta 'użu aħħari.

Wara l-preparazzjoni tal-propan miż-żejt mhux raffinat, il-propan jista 'jinkiseb permezz ta' deidroġenazzjoni katalitika selettiva (PDH);

Acrylonitrile jinkiseb wara ammoxidation tal-propylene, u l-prekursur tal-polyacrylonitrile (PAN) jinkiseb wara l-polimerizzazzjoni u l-għażil tal-acrylonitrile;

Polyacrylonitrile huwa pre-ossidat, karbonizzat f'temperatura baxxa u temperatura għolja biex tinkiseb fibra tal-karbonju, u jista 'jsir f'drapp tal-fibra tal-karbonju u prepreg tal-fibra tal-karbonju għall-produzzjoni ta' materjali komposti tal-fibra tal-karbonju;

Il-fibra tal-karbonju hija kkombinata ma 'reżina, ċeramika u materjali oħra biex jiffurmaw materjali komposti tal-fibra tal-karbonju, u finalment il-prodotti finali meħtieġa minn applikazzjonijiet downstream jinkisbu minn diversi proċessi ta' molding;

Il-kwalità u l-livell tal-prestazzjoni tal-prekursur jiddeterminaw direttament il-prestazzjoni finali tal-fibra tal-karbonju. Għalhekk, it-titjib tal-kwalità tas-soluzzjoni tal-għażil u l-ottimizzazzjoni tal-fatturi varji tal-formazzjoni tal-fibra prekursur saru n-nodi ewlenin fil-preparazzjoni ta 'fibri tal-karbonju ta' kwalità għolja.

Skont "Riċerka dwar il-Proċess ta 'Produzzjoni ta' Prekursur tal-Fibra tal-Karbonju Ibbażat fuq Polyacrylonitrile", il-proċess tal-għażil jinkludi prinċipalment tliet kategoriji: għażil imxarrab, għażil niexef u għażil niexef imxarrab. Fil-preżent, il-proċess ta 'produzzjoni ta' prekursuri tal-polyacrylonitrile fid-dar u barra l-pajjiż prinċipalment jadotta għażil imxarrab u għażil niexef imxarrab, fosthom l-għażil imxarrab huwa l-aktar użat.

Fl-għażil imxarrab, is-soluzzjoni tal-għażil l-ewwel tiġi estruża mit-toqba tal-ispinneret, u s-soluzzjoni tal-għażil tidħol fil-banju tal-koagulazzjoni fil-forma ta 'nixxiegħa fina. Il-mekkaniżmu tal-għażil tas-soluzzjoni tal-għażil tal-polyacrylonitrile huwa: hemm vojt kbir bejn il-konċentrazzjoni ta 'DMSO (dimethyl sulfoxide) fis-soluzzjoni tal-għażil u l-banju tal-koagulazzjoni, u l-konċentrazzjoni tal-ilma fil-banju tal-koagulazzjoni u s-soluzzjoni tal-polyacrylonitrile hija wkoll enormi. vojt. Taħt l-interazzjoni taż-żewġ differenzi ta 'konċentrazzjoni ta' hawn fuq, il-likwidi jibdew jinfirxu fiż-żewġ direzzjonijiet, u finalment jikkondensaw f'filamenti permezz ta 'proċessi bħal trasferiment tal-massa, trasferiment tas-sħana, u moviment tal-ekwilibriju tal-fażi.

DMSO residwu, finezza, saħħa tal-monofilament, modulu, elongazzjoni, kontenut taż-żejt, u tnaqqis fl-ilma jagħli fil-produzzjoni tal-ħarir mhux maħdum isiru l-fatturi ewlenin li jaffettwaw il-kwalità tal-ħarir mhux maħdum. Meta tieħu l-ammont residwu ta 'DMSO bħala eżempju, għandha effett fuq il-proprjetajiet apparenti tal-prekursur, l-istat trasversali, u l-valur CV tal-prodott finali tal-fibra tal-karbonju. Aktar ma jkun baxx l-ammont residwu ta 'DMSO, iktar ikun għoli l-prestazzjoni tal-prodott. Fil-produzzjoni, DMSO jitneħħa prinċipalment bil-ħasil, allura kif tikkontrolla t-temperatura tal-ħasil, il-ħin, l-ammont ta 'ilma desalinizzat u l-ammont ta' ċirkolazzjoni tal-ħasil issir rabta importanti.

Prekursuri tal-polyacrylonitrile ta 'kwalità għolja għandu jkollhom il-karatteristiċi li ġejjin: densità għolja, kristallinità għolja, saħħa xierqa, cross-section ċirkolari, inqas difetti fiżiċi, u fl-istess ħin ikollhom wiċċ lixx u struttura uniformi u densa tal-qalba tal-ġilda.

Il-kontroll tat-temperatura tal-karbonizzazzjoni u l-ossidazzjoni huwa ċ-ċavetta. Il-karbonizzazzjoni u l-ossidazzjoni huma rabta essenzjali fil-produzzjoni tal-ħarir mhux ipproċessat fi prodotti finali tal-fibra tal-karbonju. F'din ir-rabta, il-preċiżjoni u l-firxa tat-temperatura jeħtieġ li jiġu kkontrollati b'mod preċiż, inkella s-saħħa tat-tensjoni tal-prodotti tal-fibra tal-karbonju tkun affettwata b'mod sinifikanti, u saħansitra se jseħħ ksur tal-wajer:

Pre-ossidazzjoni (200-300 grad ): Fil-proċess ta 'pre-ossidazzjoni, billi tiġi applikata ċerta tensjoni f'atmosfera ossidanti, il-prekursur PAN jiġi ossidizzat bil-mod u ħafif, u numru kbir ta' strutturi ppakkjati b'ċirku huma ffurmati fuq il-bażi tal-katina dritta PAN, sabiex tkun tista 'tiflaħ L-iskop ta' proċessar ta 'temperatura ogħla.

Karbonizzazzjoni (temperatura massima mhux inqas minn 1000 grad): Il-proċess ta 'karbonizzazzjoni jeħtieġ li jitwettaq f'atmosfera inerta. Fl-istadju bikri tal-karbonizzazzjoni, il-katina dritta ta 'PAN tinkiser, u r-reazzjoni ta' cross-linking tibda; hekk kif it-temperatura togħla gradwalment, tibda r-reazzjoni ta 'dekompożizzjoni termali, tirrilaxxa ammont kbir ta' gass molekulari żgħir, u l-istruttura tal-grafita tibda tifforma; wara li t-temperatura tkompli tiżdied, il-kontenut tal-karbonju jiżdied malajr, u l-fibra tal-karbonju tibda tifforma.

Grafitizzazzjoni (temperatura ta 'l-ipproċessar 'il fuq minn 2000 grad): Il-grafitizzazzjoni mhix proċess meħtieġ għall-produzzjoni tal-fibra tal-karbonju, iżda rabta fakultattiva. Jekk il-fibra tal-karbonju hija mistennija li jkollha modulu elastiku għoli, hija meħtieġa grafitizzazzjoni; jekk il-fibra tal-karbonju hija mistennija li tikseb qawwa għolja, il-grafitizzazzjoni mhix meħtieġa. Fil-proċess ta 'grafitizzazzjoni, it-temperatura għolja tikkawża li tiġi ffurmata struttura ta' malji tal-grafita żviluppata ġewwa l-fibra, u l-istruttura hija normalizzata bit-tpinġija biex tikseb il-prodott finali.

Ostakoli tekniċi għoljin jagħtu prodotti downstream b'valur miżjud għoli, u l-prezz tal-materjali komposti aerospazjali huwa 200 darba ogħla minn dak tal-ħarir mhux maħdum. Minħabba d-diffikultà għolja tal-preparazzjoni tal-fibra tal-karbonju u l-proċess kumpless, aktar ma jkunu downstream il-prodotti tagħha, iktar ikun għoli l-valur miżjud, speċjalment il-materjali komposti tal-fibra tal-karbonju high-end użati fil-qasam aerospazjali. Minħabba li l-klijenti downstream għandhom rekwiżiti stretti ħafna dwar l-affidabbiltà u l-istabbiltà, il-prezz tal-prodott Huwa wkoll ġeometrikament miżjud meta mqabbel mal-fibra tal-karbonju ordinarja.