Το ανθρακόνημα, γνωστό ως ο βασιλιάς των νέων υλικών στον 21ο αιώνα, είναι ένα λαμπερό μαργαριτάρι σε υλικά.Οι ίνες άνθρακα (CF) είναι ένα είδος ανόργανης ίνας με περισσότερο από 90% περιεκτικότητα σε άνθρακα.Οι οργανικές ίνες (ίνες με βάση τη βισκόζη, με βάση την πίσσα, ίνες με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο, κ.λπ.) πυρολύονται και ανθρακώνονται σε υψηλή θερμοκρασία για να σχηματίσουν τη ραχοκοκαλιά άνθρακα.
Ως νέα γενιά ενισχυμένων ινών, οι ίνες άνθρακα έχουν εξαιρετικές μηχανικές και χημικές ιδιότητες.Δεν έχει μόνο τα εγγενή χαρακτηριστικά των υλικών άνθρακα, αλλά έχει επίσης την απαλότητα και την ικανότητα επεξεργασίας των υφαντικών ινών.Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, τον ενεργειακό εξοπλισμό, τις μεταφορές, τον αθλητισμό και τους τομείς αναψυχής
Ελαφρύ: ως στρατηγικό νέο υλικό με εξαιρετική απόδοση, η πυκνότητα των ινών άνθρακα είναι σχεδόν ίδια με αυτή του μαγνησίου και του βηρυλλίου, λιγότερο από το 1/4 αυτής του χάλυβα.Η χρήση σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα ως δομικό υλικό μπορεί να μειώσει το δομικό βάρος κατά 30% – 40%.
Υψηλή αντοχή και υψηλός συντελεστής: η ειδική αντοχή των ινών άνθρακα είναι 5 φορές υψηλότερη από αυτή του χάλυβα και 4 φορές υψηλότερη από αυτή του κράματος αλουμινίου.Ο συγκεκριμένος συντελεστής είναι 1,3-12,3 φορές των άλλων δομικών υλικών.
Μικρός συντελεστής διαστολής: ο συντελεστής θερμικής διαστολής των περισσότερων ινών άνθρακα είναι αρνητικός σε θερμοκρασία δωματίου, 0 στους 200-400 ℃ και μόνο 1,5 σε λιγότερο από 1000 ℃ × 10-6 / K, δεν είναι εύκολο να διασταλεί και να παραμορφωθεί λόγω υψηλής εργασίας θερμοκρασία.
Καλή αντοχή στη χημική διάβρωση: οι ίνες άνθρακα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε καθαρό άνθρακα και ο άνθρακας είναι ένα από τα πιο σταθερά χημικά στοιχεία, με αποτέλεσμα την πολύ σταθερή απόδοσή του σε όξινο και αλκαλικό περιβάλλον, το οποίο μπορεί να κατασκευαστεί σε όλα τα είδη χημικών αντιδιαβρωτικών προϊόντων.
Ισχυρή αντοχή στην κόπωση: η δομή των ανθρακονημάτων είναι σταθερή.Σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία του δικτύου πολυμερών, μετά από εκατομμύρια κύκλους δοκιμής κόπωσης καταπόνησης, ο ρυθμός συγκράτησης της αντοχής του σύνθετου υλικού είναι ακόμα 60%, ενώ του χάλυβα είναι 40%, του αλουμινίου είναι 30%, και του πλαστικού με ίνες γυαλιού είναι μόνο 20 % – 25%.
Το σύνθετο ανθρακονήματα είναι η εκ νέου ενίσχυση των ινών άνθρακα.Αν και οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνες τους και να παίξουν μια συγκεκριμένη λειτουργία, είναι τελικά ένα εύθραυστο υλικό.Μόνο όταν συνδυάζεται με το υλικό μήτρας για να σχηματίσει σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα μπορεί να δώσει καλύτερο παιχνίδι στις μηχανικές του ιδιότητες και να μεταφέρει περισσότερα φορτία.
Οι ίνες άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διαφορετικές διαστάσεις, όπως ο τύπος του προδρόμου, η μέθοδος κατασκευής και η απόδοση
Ανάλογα με τον τύπο του προδρόμου: με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (Pan), με βάση τον τόνο (ισότροπο, μεσόφαση).Βάση βισκόζης (βάση κυτταρίνης, βάση ρεγιόν).Μεταξύ αυτών, οι ίνες άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (Pan) καταλαμβάνουν την κύρια θέση και η παραγωγή τους αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 90% του συνόλου των ινών άνθρακα, ενώ οι ίνες άνθρακα με βάση τη βισκόζη αντιπροσωπεύουν λιγότερο από 1%.
Σύμφωνα με τις συνθήκες και τις μεθόδους κατασκευής: ίνες άνθρακα (800-1600 ℃), ίνες γραφίτη (2000-3000 ℃), ίνες ενεργού άνθρακα, ίνες άνθρακα που καλλιεργούνται με ατμό.
Σύμφωνα με τις μηχανικές ιδιότητες, μπορεί να χωριστεί σε γενικό τύπο και τύπο υψηλής απόδοσης: η αντοχή των ινών άνθρακα γενικού τύπου είναι περίπου 1000MPa και ο συντελεστής είναι περίπου 100GPa.Ο τύπος υψηλής απόδοσης μπορεί να χωριστεί σε τύπο υψηλής αντοχής (δύναμη 2000mPa, συντελεστής 250gpa) και υψηλό μοντέλο (μέτρο 300gpa ή περισσότερο), μεταξύ των οποίων η ισχύς μεγαλύτερη από 4000mpa ονομάζεται επίσης τύπος εξαιρετικά υψηλής αντοχής και ο συντελεστής μεγαλύτερη από 450gpa είναι ονομάζεται υπερ-υψηλό μοντέλο.
Ανάλογα με το μέγεθος της ρυμούλκησης, μπορεί να χωριστεί σε μικρή ρυμούλκηση και μεγάλη ρυμούλκηση: οι μικρές ίνες άνθρακα είναι κυρίως 1K, 3K και 6K στο αρχικό στάδιο και σταδιακά εξελίσσονται σε 12K και 24K, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως στην αεροδιαστημική, στον αθλητισμό και χωράφια αναψυχής.Οι ίνες άνθρακα άνω των 48Κ ονομάζονται συνήθως μεγάλες ίνες άνθρακα ρυμούλκησης, συμπεριλαμβανομένων των 48Κ, 60Κ, 80Κ κ.λπ., οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικούς τομείς.
Η αντοχή εφελκυσμού και ο συντελεστής εφελκυσμού είναι δύο κύριοι δείκτες για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων των ανθρακονημάτων.Με βάση αυτό, η Κίνα δημοσίευσε το εθνικό πρότυπο για τις ίνες άνθρακα με βάση το PAN (GB / t26752-2011) το 2011. Ταυτόχρονα, λόγω του απόλυτου ηγετικού πλεονεκτήματος της Toray στην παγκόσμια βιομηχανία ανθρακονημάτων, οι περισσότεροι εγχώριοι κατασκευαστές υιοθετούν επίσης το πρότυπο ταξινόμησης της Toray ως αναφορά.
1.2 Τα υψηλά εμπόδια φέρνουν υψηλή προστιθέμενη αξία.Η βελτίωση της διαδικασίας και η υλοποίηση της μαζικής παραγωγής μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος και να αυξήσει την απόδοση
1.2.1 το τεχνικό εμπόδιο της βιομηχανίας είναι υψηλό, η παραγωγή πρόδρομων ουσιών είναι ο πυρήνας και η ενανθράκωση και η οξείδωση είναι το κλειδί
Η διαδικασία παραγωγής των ανθρακονημάτων είναι πολύπλοκη, η οποία απαιτεί υψηλό εξοπλισμό και τεχνολογία.Ο έλεγχος της ακρίβειας, της θερμοκρασίας και του χρόνου κάθε συνδέσμου θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την ποιότητα του τελικού προϊόντος.Η ίνα άνθρακα πολυακρυλονιτριλίου έχει γίνει η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη και η υψηλότερη απόδοση ινών άνθρακα επί του παρόντος λόγω της σχετικά απλής διαδικασίας προετοιμασίας, του χαμηλού κόστους παραγωγής και της βολικής διάθεσης τριών απορριμμάτων.Η κύρια πρώτη ύλη προπάνιο μπορεί να κατασκευαστεί από αργό πετρέλαιο και η αλυσίδα βιομηχανίας ανθρακονημάτων PAN περιλαμβάνει μια πλήρη διαδικασία παραγωγής από την πρωτογενή ενέργεια έως την εφαρμογή τερματικού.
Αφού παρασκευάστηκε το προπάνιο από αργό πετρέλαιο, το προπυλένιο ελήφθη με εκλεκτική καταλυτική αφυδρογόνωση (PDH) του προπανίου.
Το ακρυλονιτρίλιο ελήφθη με αμμοξείδωση προπυλενίου.Ο πρόδρομος πολυακρυλονιτριλίου (Pan) ελήφθη με πολυμερισμό και περιδίνηση ακρυλονιτριλίου.
Το πολυακρυλονιτρίλιο προοξειδώνεται, ανθρακώνεται σε χαμηλή και υψηλή θερμοκρασία για να ληφθούν ανθρακονήματα, τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν σε ύφασμα από ανθρακονήματα και προεμποτισμό ινών άνθρακα για την παραγωγή σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα.
Οι ίνες άνθρακα συνδυάζονται με ρητίνη, κεραμικά και άλλα υλικά για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα.Τέλος, τα τελικά προϊόντα για κατάντη εφαρμογές λαμβάνονται με διάφορες διαδικασίες χύτευσης.
Η ποιότητα και το επίπεδο απόδοσης του προδρόμου καθορίζουν άμεσα την τελική απόδοση των ανθρακονημάτων.Ως εκ τούτου, η βελτίωση της ποιότητας του περιστρεφόμενου διαλύματος και η βελτιστοποίηση των παραγόντων σχηματισμού πρόδρομων ουσιών γίνονται τα βασικά σημεία για την παρασκευή ανθρακονημάτων υψηλής ποιότητας.
Σύμφωνα με την «Έρευνα για τη διαδικασία παραγωγής προδρόμου ανθρακονημάτων με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο», η διαδικασία κλώσης περιλαμβάνει κυρίως τρεις κατηγορίες: υγρή κλώση, ξηρή κλώση και ξηρή υγρή κλώση.Επί του παρόντος, η υγρή κλώση και η ξηρή υγρή κλώση χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή προδρόμου πολυακρυλονιτριλίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, μεταξύ των οποίων η υγρή κλώση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη.
Η υγρή περιδίνηση εξωθεί πρώτα το περιστρεφόμενο διάλυμα από την οπή του κλωστήρα και το περιστρεφόμενο διάλυμα εισέρχεται στο λουτρό πήξης με τη μορφή μικρής ροής.Ο μηχανισμός περιδίνησης του διαλύματος περιδίνησης πολυακρυλονιτριλίου είναι ότι υπάρχει ένα μεγάλο κενό μεταξύ της συγκέντρωσης του DMSO στο περιστρεφόμενο διάλυμα και στο λουτρό πήξης, και υπάρχει επίσης ένα μεγάλο κενό μεταξύ της συγκέντρωσης του νερού στο λουτρό πήξης και του διαλύματος πολυακρυλονιτριλίου.Κάτω από την αλληλεπίδραση των δύο παραπάνω διαφορών συγκέντρωσης, το υγρό αρχίζει να διαχέεται προς δύο κατευθύνσεις και τελικά συμπυκνώνεται σε νήματα μέσω μεταφοράς μάζας, μεταφοράς θερμότητας, κίνησης ισορροπίας φάσης και άλλων διεργασιών.
Στην παραγωγή του πρόδρομου, η υπολειπόμενη ποσότητα DMSO, το μέγεθος της ίνας, η αντοχή του μονονήματος, ο συντελεστής, η επιμήκυνση, η περιεκτικότητα σε λάδι και η συρρίκνωση του βραστού νερού γίνονται οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα του πρόδρομου.Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την υπολειπόμενη ποσότητα DMSO, έχει επίδραση στις φαινομενικές ιδιότητες του προδρόμου, της κατάστασης διατομής και της τιμής CV του τελικού προϊόντος από ίνες άνθρακα.Όσο μικρότερη είναι η υπολειπόμενη ποσότητα DMSO, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση του προϊόντος.Στην παραγωγή, το DMSO αφαιρείται κυρίως με το πλύσιμο, οπότε ο τρόπος ελέγχου της θερμοκρασίας πλύσης, του χρόνου, της ποσότητας αφαλατωμένου νερού και της ποσότητας του κύκλου πλύσης γίνεται ένας σημαντικός σύνδεσμος.
Ο υψηλής ποιότητας πρόδρομος πολυακρυλονιτριλίου πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: υψηλή πυκνότητα, υψηλή κρυσταλλικότητα, κατάλληλη αντοχή, κυκλική διατομή, λιγότερα φυσικά ελαττώματα, λεία επιφάνεια και ομοιόμορφη και πυκνή δομή του πυρήνα του δέρματος.
Ο έλεγχος θερμοκρασίας της ενανθράκωσης και της οξείδωσης είναι το κλειδί.Η ενανθράκωση και η οξείδωση είναι ένα ουσιαστικό βήμα στην παραγωγή τελικών προϊόντων από ανθρακονήματα από πρόδρομες ουσίες.Σε αυτό το βήμα, η ακρίβεια και το εύρος θερμοκρασίας θα πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια, διαφορετικά, η αντοχή εφελκυσμού των προϊόντων από ανθρακονήματα θα επηρεαστεί σημαντικά και θα οδηγήσει ακόμη και σε θραύση του σύρματος
Προοξείδωση (200-300 ℃): στη διαδικασία προοξείδωσης, ο πρόδρομος PAN οξειδώνεται αργά και ήπια εφαρμόζοντας μια ορισμένη τάση στην οξειδωτική ατμόσφαιρα, σχηματίζοντας μεγάλο αριθμό δομών δακτυλίου στη βάση της ευθύγραμμης αλυσίδας της λεκάνης, έτσι ώστε να επιτύχει το σκοπό της αντοχής σε επεξεργασία υψηλότερης θερμοκρασίας.
Ενανθράκωση (μέγιστη θερμοκρασία όχι χαμηλότερη από 1000 ℃): η διαδικασία ενανθράκωσης πρέπει να πραγματοποιείται σε αδρανή ατμόσφαιρα.Στο πρώιμο στάδιο της ενανθράκωσης, η αλυσίδα της λεκάνης σπάει και αρχίζει η αντίδραση διασύνδεσης.Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίδραση θερμικής αποσύνθεσης αρχίζει να απελευθερώνει μεγάλο αριθμό αερίων μικρών μορίων και η δομή του γραφίτη αρχίζει να σχηματίζεται.Όταν η θερμοκρασία αυξήθηκε περαιτέρω, η περιεκτικότητα σε άνθρακα αυξήθηκε γρήγορα και η ίνα άνθρακα άρχισε να σχηματίζεται.
Γραφιτοποίηση (θερμοκρασία επεξεργασίας πάνω από 2000 ℃): η γραφιτοποίηση δεν είναι μια απαραίτητη διαδικασία για την παραγωγή ανθρακονημάτων, αλλά μια προαιρετική διαδικασία.Εάν αναμένεται υψηλός συντελεστής ελαστικότητας ινών άνθρακα, απαιτείται γραφιτοποίηση.Εάν αναμένεται υψηλή αντοχή ινών άνθρακα, δεν είναι απαραίτητη η γραφιτοποίηση.Στη διαδικασία γραφιτοποίησης, η υψηλή θερμοκρασία κάνει την ίνα να σχηματίζει μια ανεπτυγμένη δομή πλέγματος γραφίτη και η δομή ενσωματώνεται με σχέδιο για να ληφθεί το τελικό προϊόν.
Τα υψηλά τεχνικά εμπόδια προσδίδουν στα κατάντη προϊόντα υψηλή προστιθέμενη αξία και η τιμή των σύνθετων υλικών αεροσκαφών είναι 200 φορές υψηλότερη από αυτή του ακατέργαστου μεταξιού.Λόγω της υψηλής δυσκολίας της προετοιμασίας των ανθρακονημάτων και της πολύπλοκης διαδικασίας, όσο πιο κατάντη είναι τα προϊόντα, τόσο μεγαλύτερη είναι η προστιθέμενη αξία.Ειδικά για τα υψηλής ποιότητας σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα που χρησιμοποιούνται στον αεροδιαστημικό τομέα, επειδή οι κατάντη πελάτες έχουν πολύ αυστηρές απαιτήσεις για την αξιοπιστία και τη σταθερότητά τους, η τιμή του προϊόντος παρουσιάζει επίσης μια γεωμετρική πολλαπλή ανάπτυξη σε σύγκριση με τις συνηθισμένες ίνες άνθρακα.
Ώρα ανάρτησης: 22 Ιουλίου 2021