Karbon Elyaf - Malzeme Siyah Altın, Yüksek Endüstri Engelleri ve Yüksek Ürün Katma Değeri ile

1. Karbon fiber sert ve esnektir ve aşağı akış uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Maddi gelişimin tarihi, insan gelişiminin tarihi ile yakından ilişkilidir ve yeni malzemeler, insanlığın "doğal krallıktan" "özgürlüğe" geçmesi için güçlü bir itici güçtür. Malzemeler genellikle yararlı nesneler yapmak için kullanılan maddeler olarak tanımlanır ve insanın malzemeleri tanıma ve kullanma yeteneği, sosyal formu ve insanın yaşam standartlarını doğrudan belirler. Çağdaş zamanlarda, malzeme, enerji ve bilgi, sosyal uygarlığın ve ulusal ekonominin üç direği haline gelmiştir ve bunlar arasında, malzeme, bilim ve teknolojinin gelişiminin maddi temeli ve teknolojik lideridir.

Tüm malzeme geliştirme tarihi boyunca, zaman açısından taş aletler/bronz aletler/demir aletler/çelik/silikon/yeni malzemelerin altı gelişim periyodunda özetlenebilir. Bunların arasında, 20. yüzyılın ikinci yarısında yeni teknoloji devriminin başlamasıyla birlikte, yeni malzemeler çeşitli yüksek teknoloji alanlarının geliştirilmesi için bir güç kaynağı haline geldi. Örneğin, bilgisayar teknolojisi yarı iletken malzemelerin endüstriyel üretimine dayanır ve havacılık endüstrisi çok sayıda yüksek sıcaklık ve yüksek mukavemetli yapısal malzeme gerektirir. Onunla eşleştirilir ve modern fiber optik iletişim, düşük tüketimli optik fibere dayanır.

21. yüzyılda yeni malzemelerin kralı olarak bilinen karbon fiber, malzeme tacında parlayan bir mücevherdir. Karbon fiber (kısaca CF), yüzde 90'dan fazla karbon içeriğine sahip inorganik bir fiberdir. Organik liflerin (viskon esaslı, zift esaslı, poliakrilonitril esaslı lifler vb.) yüksek sıcaklık ortamında kırılarak karbonize edilerek bir karbon omurga mekanizması oluşturularak hazırlanır. Yeni nesil güçlendirici lifler olarak, karbon lifleri mükemmel mekanik ve kimyasal özelliklere sahiptir, yalnızca karbon malzemelerinin doğal özelliklerine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda tekstil liflerinin yumuşak işlenebilirliğine de sahiptir, bu nedenle havacılık, enerji ekipmanı, ulaşımda yaygın olarak kullanılırlar. Spor Dalları. Boş zaman ve diğer alanlar:

Hafiflik: Mükemmel performansa sahip stratejik yeni bir malzeme olarak, karbon fiberin yoğunluğu temelde magnezyum ve berilyum ile aynıdır ve çeliğinkinin 1/4'ünden daha azdır. Yapısal malzeme olarak karbon fiber kompozit malzeme kullanmak, yapısal kütleyi yüzde 30 -40 azaltabilir.

Yüksek mukavemet ve yüksek modül: Karbon fiberin özgül mukavemeti, çelikten 5 kat ve alüminyum alaşımdan 4 kat daha yüksektir; özgül modül, diğer yapısal malzemelerin 1.3-12.3 katıdır.

Küçük genleşme katsayısı: Çoğu karbon fiberin termal genleşme katsayısı oda sıcaklığında negatiftir, 200-400 derecede 0 ve 1000 dereceden az olduğunda sadece 1.5 × 10-6 /K, bu nedenle yüksek çalışma sıcaklığından dolayı genleşmesi ve deforme olması kolay değildir.

İyi kimyasal korozyon direnci: Karbon fiber, yüksek oranda saf karbon içeriğine sahiptir ve karbon, asit ve alkali ortamlarda çok kararlı olmasını sağlayan ve çeşitli kimyasal korozyon önleyici ürünlere dönüştürülebilen en kararlı kimyasal elementlerden biridir.

Güçlü yorulma direnci: Karbon fiber yapısı stabildir. Polimer ağının istatistiklerine göre, kompozit malzemenin mukavemet tutma oranı, çelik için yüzde 40, alüminyum için yüzde 30 ve cam elyaf takviyeli plastik için yüzde 30 ile karşılaştırıldığında, milyonlarca stres yorgunluğu döngüsünden sonra hala yüzde 60'tır. O zaman sadece yüzde 20 -25 .

Karbon fiber kompozit malzemeler, karbon fiber bazında yeniden güçlendirilmektedir. Karbon fiber tek başına kullanılabilmesine ve belirli işlevleri yerine getirebilmesine rağmen, sonuçta kırılgan bir malzemedir. Sadece bir karbon fiber kompozit malzeme oluşturmak için matris malzemesi ile birleştirildiğinde daha iyi mekanik özellikler sergileyebilir ve daha fazla yük taşıyabilir.

Karbon fiberler, öncül tipi, üretim yöntemi ve performans gibi farklı boyutlara göre sınıflandırılabilir:

Ham ipeğin cinsine göre: poliakrilonitril (PAN) esaslı, zift esaslı (izotropik, mezofaz); viskon bazlı (selüloz bazlı, suni ipek bazlı). Bunların arasında, poliakrilonitril (PAN) bazlı karbon fiber, toplam karbon fiberin yüzde 90'ından fazlasını oluşturan çıktıyla ve viskoz bazlı karbon fiberin yüzde 1'den azıyla ana konumu işgal ediyor.

Üretim koşullarına ve yöntemlerine göre sınıflandırma: karbon fiber (800-1600 derece), grafit fiber (2000-3000 derece), aktif karbon fiber, buharla büyütülmüş karbon fiber.

Mekanik özelliklere göre, genel amaçlı tip ve yüksek performanslı tipe ayrılabilir: genel amaçlı karbon fiber, 1000MPa'lık bir mukavemete ve yaklaşık 100GPa'lık bir modüle sahiptir;), burada 4000MPa'dan daha büyük mukavemet de denir. ultra yüksek güç tipi ve 450GPa'dan büyük modül, ultra yüksek model olarak adlandırılır.

Çekicinin boyutuna göre, küçük yedekte ve büyük yedekte ayrılabilir: küçük yedekte karbon fiber, ilk aşamada esas olarak 1K, 3K, 6K'dır ve yavaş yavaş, esas olarak havacılıkta kullanılan 12K ve 24K'ya geliştirilmiştir. spor ve eğlence alanları. 48K'nın üzerindeki karbon fiberlere, çoğunlukla endüstriyel alanlarda kullanılan 48K, 60K, 80K vb. dahil olmak üzere genellikle büyük tow karbon fiberler denir.

Çekme mukavemeti ve çekme modülü, karbon fiberin performansını ölçmek için en önemli iki göstergedir. Buna dayanarak, ülkem 2011 yılında "Poliakrilonitril (PAN) bazlı Karbon Elyaf (GB/T26752-2011) Ulusal Standardı"nı ilan etti. karbon fiber endüstrisinde, çoğu yerli üretici de referans olarak Japonya'nın Toray sınıflandırma standardını benimsiyor.

2. Endüstrideki yüksek teknik engeller, ham ipek üretimi çekirdektir, karbonizasyon ve oksidasyon anahtardır

Karbon fiber üretim süreci karmaşıktır ve son derece yüksek ekipman ve teknoloji gerektirir. Her bağlantının doğruluğunun, sıcaklığının ve süresinin kontrolü, nihai ürünün kalitesini büyük ölçüde etkileyecektir. Poliakrilonitril karbon elyafı, nispeten basit hazırlama süreci, düşük üretim maliyeti ve üç atığı uygun şekilde bertaraf etmesi nedeniyle bu aşamada en geniş uygulama alanına ve en yüksek randımana sahip karbon elyafı haline gelmiştir. Ana hammaddesi propan, ham petrolden elde edilebilir ve poliakrilonitril karbon elyaf sanayi zinciri, birincil enerjiden son kullanım uygulamalarına kadar eksiksiz bir üretim sürecini içerir.

Ham petrolden propan hazırlandıktan sonra, seçici katalitik dehidrojenasyon (PDH) ile propan elde edilebilir;

Akrilonitril, propilenin amoksidasyonundan sonra elde edilir ve poliakrilonitril (PAN) öncüsü, akrilonitril polimerizasyonu ve eğirme işleminden sonra elde edilir;

Poliakrilonitril, karbon fiber elde etmek için önceden oksitlenir, düşük sıcaklıkta ve yüksek sıcaklıkta karbonize edilir ve karbon fiber kompozit malzemelerin üretimi için karbon fiber kumaş ve karbon fiber prepreg haline getirilebilir;

Karbon fiber, reçine, seramik ve diğer malzemelerle bir araya getirilerek karbon fiber kompozit malzemeler oluşturulur ve son olarak, çeşitli kalıplama işlemleriyle sonraki uygulamalar için gereken nihai ürünler elde edilir;

Öncünün kalitesi ve performans seviyesi, karbon fiberin nihai performansını doğrudan belirler. Bu nedenle, eğirme çözümünün kalitesinin iyileştirilmesi ve öncü elyaf oluşumunun çeşitli faktörlerinin optimize edilmesi, yüksek kaliteli karbon elyaflarının hazırlanmasında kilit noktalar haline geldi.

"Poliakrilonitril Bazlı Karbon Elyaf Ön Maddesinin Üretim Sürecine İlişkin Araştırmaya" göre, eğirme işlemi temel olarak üç kategori içerir: ıslak eğirme, kuru eğirme ve kuru-yaş eğirme. Şu anda, yurtiçinde ve yurtdışında poliakrilonitril öncüllerinin üretim süreci esas olarak ıslak eğirme ve ıslak eğirmenin en yaygın olarak kullanıldığı kuru-yaş eğirmeyi benimsemektedir.

Islak eğirmede, eğirme solüsyonu önce düze deliğinden ekstrüde edilir ve eğirme solüsyonu pıhtılaştırma banyosuna ince bir akış şeklinde girer. Poliakrilonitril eğirme çözeltisinin eğirme mekanizması şu şekildedir: eğirme çözeltisindeki ve pıhtılaşma banyosundaki DMSO (dimetil sülfoksit) konsantrasyonu arasında büyük bir boşluk vardır ve pıhtılaşma banyosundaki ve poliakrilonitril çözeltisindeki su konsantrasyonu da çok büyüktür. açıklık. Yukarıdaki iki konsantrasyon farkının etkileşimi altında, sıvılar her iki yönde de yayılmaya başlar ve sonunda kütle transferi, ısı transferi ve faz denge hareketi gibi işlemler yoluyla filamentler halinde yoğunlaşır.

Ham ipek üretiminde kalıntı DMSO, incelik, monofilament mukavemeti, modül, uzama, yağ içeriği ve kaynar su çekmesi ham ipeğin kalitesini etkileyen temel faktörler haline gelir. Örnek olarak artık DMSO miktarı alınırsa, öncünün görünen özellikleri, kesit durumu ve nihai karbon fiber ürününün CV değeri üzerinde bir etkisi vardır. Artık DMSO miktarı ne kadar düşükse, ürünün performansı o kadar yüksek olur. Üretimde, DMSO esas olarak yıkama ile uzaklaştırılır, bu nedenle yıkama sıcaklığının, süresinin, tuzdan arındırılmış su miktarının ve yıkama sirkülasyon miktarının nasıl kontrol edileceği önemli bir bağlantı haline gelir.

Yüksek kaliteli poliakrilonitril öncüleri aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır: yüksek yoğunluk, yüksek kristallik, uygun mukavemet, dairesel enine kesit, daha az fiziksel kusur ve aynı zamanda pürüzsüz bir yüzeye ve düzgün ve yoğun bir cilt-çekirdek yapısına sahip olmalıdır.

Karbonizasyon ve oksidasyonun sıcaklık kontrolü anahtardır. Karbonizasyon ve oksidasyon, ham ipeğin karbon fiber nihai ürünlere dönüştürülmesinde önemli bir bağlantıdır. Bu bağlantıda, hassasiyet ve sıcaklık aralığının doğru bir şekilde kontrol edilmesi gerekir, aksi takdirde karbon fiber ürünlerin çekme mukavemeti önemli ölçüde etkilenecek ve hatta tel kırılması meydana gelecektir:

Ön oksidasyon (200-300 derece): Ön oksidasyon işleminde, oksitleyici bir atmosferde belirli bir gerilim uygulanarak, PAN öncüsü yavaş ve hafif oksitlenir ve üzerinde çok sayıda halkalı yapı oluşur. PAN düz zincirinin temeli, böylece daha yüksek sıcaklıkta işlemenin amacına dayanabilir.

Karbonizasyon (maksimum sıcaklık 1000 dereceden düşük değil): Karbonizasyon işleminin inert bir atmosferde gerçekleştirilmesi gerekir. Karbonizasyonun erken aşamasında, düz PAN zinciri kırılır ve çapraz bağlanma reaksiyonu başlar; sıcaklık kademeli olarak yükseldikçe, termal ayrışma reaksiyonu başlar, büyük miktarda küçük moleküler gaz açığa çıkar ve grafit yapı oluşmaya başlar; sıcaklık daha da yükseldikten sonra karbon içeriği hızla artar ve karbon lifi oluşmaya başlar.

Grafitleştirme (2000 derecenin üzerindeki işlem sıcaklığı): Grafitleştirme, karbon elyaf üretimi için gerekli bir işlem değil, isteğe bağlı bir bağlantıdır. Karbon fiberin yüksek bir elastik modülüne sahip olması bekleniyorsa, grafitizasyon gereklidir; karbon fiberin yüksek mukavemet elde etmesi bekleniyorsa grafitizasyon gerekli değildir. Grafitleştirme işleminde, yüksek sıcaklık, elyafın içinde gelişmiş bir grafit ağ yapısının oluşmasına neden olur ve nihai ürünü elde etmek için yapı çizilerek normalleştirilir.

Yüksek teknik engeller, sonraki ürünlere yüksek katma değer sağlar ve havacılık kompozit malzemelerinin fiyatı, ham ipeğe göre 200 kat daha yüksektir. Karbon fiber hazırlamanın yüksek zorluğu ve karmaşık süreç nedeniyle, ürünleri ne kadar aşağı akışlı olursa, özellikle havacılık alanında kullanılan yüksek kaliteli karbon fiber kompozit malzemeler olmak üzere katma değer o kadar yüksek olur. Alt müşterilerin güvenilirlik ve istikrar konusunda çok katı gereksinimleri olduğundan, ürün fiyatı da sıradan karbon fibere kıyasla geometrik olarak artar.