+7 495 665 08 52

+7 495 508 19 83

Углеродное волокно это


Углеродное волокно – характеристики и особенности хранения.

В наиболее ответственных изделиях применяют углекомпозиты (углепластики). Согласно расчетам, среди всех возможных соединений, на основе периодической системы элементов, графит имеет самые высокие прочностные и термические характеристики. Углеродное волокно имеет один из наиболее высоких показателей по удельной прочности среди других  волокон. Имеет высокую стойкость к кручению и усталости. Уступая лишь в ударной прочности арамиду и стеклу.

Углеродное волокно-производство

Столь высокую стоимость углеродного волокна обуславливает сложность и энергоемкость процесса его получения.  Смысл процесса состоит в поэтапной чистке углеродосодержащих нитей от ненужных атомов, оставляя в конце процесса до 99% углерода в объеме нити.

УВ получают путем термического разложения (пиролизом) исходных нитей: гидратоцеллюлозных, полиакрилонитрильных (ПАН). Так же нефтяных или каменноугольных пеков. В настоящее время, промышленное значение имеет производство УВ на базе вискозы или ПАН.

Процесс получения УВ на основе ПАН

Следует заметить, что химический состав и структура УВ зависит от состава исходного сырья.

В первую очередь, полиакриловые жгуты подвергают окислению, проводя термическую обработку на воздухе при температуре около 200 °С.

Окисленный ПАН так же представляет интерес в некоторых сферах производства как термостойкий и трудно горючий материал.

После окисления, полотно проходит через печи карбонизации (около 1500 °С) и графитизации (около 3000 °С). На этой стадии удаляются остатки водорода и гетероатомов, происходит образование двойных связей между атомами углерода. Процессы карбонизации и графитизации проводятся в инертной среде.

В завершении процесса карбонизации (в некоторых случаях стадия графитизации может исключаться) жгут имеет готовый химический состав и структуру, но проходит еще ряд этапов для повешения адгезии с матрицей:

— обработка поверхности. Поверхность карбонового полотна вследствие данной реакции становится «шероховатой». Обнажая атомы углерода и создавая свободные функциональные группы способные к ионному обмену.

— нанесение ПАВ (поверхностно активное вещество). Оно же, так называемое аппретирование. В качестве аппрета чаще наносятся эпоксидные смолы без отвердителя. Аппрет защищает от истирания в процессе хранения, транспортировки и текстильной переработки. Вытесняет из пор влагу и воздух.

Этап сушки после нанесения аппрета является завершающим этапом, после которого жгуты наматываются на бобины  (обычно массой до 8 кг).

Характеристики углеродного волокна

Модуль упругости. УВ обычно группируются в соответствии со своим модулем:

  • Низкомодульное (HS): 160-270 ГПа;
  • Средний модуль (IM): 270-325ГПа;
  • Высокомодульное (НМ): 325-440 ГПа;
  • Сверхвысокий модуль (UHM): 440+ ГПа;

Диаметр и количество элементарных нитей. Каждый жгут  состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов).  Диаметр такой углеродной нити: 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса.  В маркировке у любого типа волокна есть обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К- это и есть количество филаментов в жгуте  (в тысячах).

Линейная плотность. Кроме обычной плотности, у волокон принято выделять так же линейную. Измеряется она в тексах (tex). Если линейная плотность  указана 800 tex, значит, километр этого жгута имеет массу 800гр.

Прочностные характеристики

Итоговое значение прочности, указываемое в сертификатах качества и т.д. снимается уже с пропитанного и отвержденного жгутика (микропластика). Микропластик- жгут  пропитанный полимерным связующим и отвержденный при воздействии растягивающего напряжения.

УВ достаточно хрупкое поэтому не имеет большого смысла снимать с него прочностные характеристики в непропитанном виде. Так же, для конечного потребителя важнее знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому в чаще всего указывают:

  • Прочность при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
  • Модуль упругости при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа

Условия транспортировки и хранения углеродного волокна

  • Бобины должны храниться в крытых складских помещениях в упакованном виде, коробки должны находиться в горизонтальном положении.
  • Рекомендуемые условия хранения.
    • Температура: 0-40 °С. Хранение при минусовой температуре не рекомендуется.
    • Влажность: 40-80%.
  • Допускается перевозка в неотапливаемом транспорте при температуре до -30 °С.
  • Во избежание конденсации влаги на поверхности. Перед использованием, нераспакованные бобины должны быть выдержаны не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 °С и влажности от 40 до 80%.
  • При правильных условиях хранения, производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет с даты производства.

Заключение

Надо понимать, УВ не является гарантией качества и гарантией сверх прочностных свойств изделия. Сами по себе углеродные  нити довольно хрупкие и ломкие. Без правильных условий полимеризации или при не правильном подборе матрицы или ее не совместимости с нитью можно и не достигнуть заявленных производителем свойств.  К тому же УВ уступает базальту и стеклу в некоторых видах мех. испытаний.  При том, что даже самое дорогое стекло и базальт в 10ки раз дешевле, чем самое дешевое углеродное волокно. В дополнение ко всему, по причине широкого применения углеродных волокон в оборонной промышленности, для того чтобы купить его за рубежом напрямую у производителя необходимо получение лицензии.

Буду признателен за любую обратную связь. Спасибо!

Carbon fiber - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия Ткань из тканых углеродных нитей

Углеродное волокно (британский английский: углеродное волокно ) - это тип волокна, состоящий из атомов углерода. Его также иногда называют графитовым волокном . Он обладает самой высокой прочностью на сжатие среди всех армирующих материалов (композитов), имеет высокое отношение прочности к массе и низкий коэффициент теплового расширения. Плотность углеродного волокна также значительно ниже плотности стали. [1] Углеродное волокно имеет форму нескольких тысяч длинных тонких прядей, состоящих в основном из атомов углерода. [2]

Углеродное волокно наиболее широко используется для армирования композитных материалов, в частности, армированных углеродным волокном полимеров. Армированный углерод-углерод (RCC) структурно используется в высокотемпературных применениях. Волокно также используется для фильтрации высокотемпературных газов.

Формование тонкого слоя углеродных волокон значительно повышает огнестойкость полимеров или термореактивных композитов.Это работает, потому что плотный, компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло. [3]

Растущее использование композитов из углеродного волокна вытесняет алюминий из аэрокосмической промышленности в пользу других металлов. [4] [5]

  1. ↑ Г-н Джереми Хирхольцер, доцент кафедры авиационных технологий, Университет Пердью, 2007.
  2. «Как производится углеродное волокно - материал, изготовление, использование, обработка, детали, компоненты, состав, структура». www.madehow.com .
  3. Чжао З. и Гоу Дж. (2009). «Улучшенная огнестойкость термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами». Sci. Technol. Adv. Mater 10 : 015005. Bibcode: 2009STAdM..10a5005Z. DOI: 10.1088 / 1468-6996 / 10/1/015005. CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка)
  4. Design «Дизайн для коррозии». boeing.co
  5. ↑ Уорик, Грэм и Норрис, Гай (6 мая 2013 г.) «Металлические изделия возвращаются с развитием производства." Aviation Week & Space Technology Архивная копия в Интернет-архиве
,

Изготовление из углеродного волокна

Конец линии: Волокна в этом тщательно контролируемом лабиринте волокон (слева) выходят из станций Grafil (Сакраменто, Калифорния, США) на намоточные машины (справа) перед отправкой, их путь определяется определенным модулем , ИСТОЧНИК | Grafil Inc.

Хотя многие читатели HPC используют углеродное волокно, мало кто знает, как оно сделано. Это никого не должно удивлять. Производители углеродного волокна не знают, как производится их продукция.Волокно каждого производителя отличается от волокон его конкурентов, а детали обработки, придающие каждому бренду свои характерные признаки, считаются интеллектуальной собственностью. Процесс производства углеродного волокна также общеизвестно сложен и дорог. Оснащение единственной производственной линии мирового уровня требует капиталоемких средств - минимум 25 млн. Долл. США для одного оборудования - и может потребовать до двух лет внедрения. На самом деле стоимость может быть намного больше.

ИСТОЧНИК | Carbon Fiber 2020 (Ноксвилл, Тенн., США) предконференционный семинар Тони Робертса, AJR Consultancy.

Расчетный годовой объем производства углеродного волокна в мире в 2010 году.

Например,

Токио, расположенная в Токио, компания Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (MRC), площадью 9,4 млн. Кв. целых 20 миллионов фунтов / 9,072 метрических тонн углеродного волокна. Это в значительной степени объясняет, почему исторически было трудно избежать дисбаланса между спросом и предложением, который приводит к падению и пиковым ценам.Неудивительно, что в настоящее время в мире насчитывается менее десятка производителей углеродного волокна.

HPC , с помощью нескольких поставщиков процессов из углеродного волокна, недавно заглянул за завесу секретности, чтобы найти более инклюзивную, хотя все еще неполную, картину процесса.

Окончательная разница

В отличие от металлов, которые являются однородными и по своей конструкции обладают свойствами, которые соответствуют установленным стандартам, благодаря чему стали каждого производителя Р20, например, взаимозаменяемы с другими, являются неоднородными.Составленный из комбинаций разнородных материалов (волокна и смолы), их изменчивость и, следовательно, адаптивность, являются центральными для их привлекательности. Соответственно, производители углеродного волокна производят продукты, которые похожи, но не идентичны. Углеродное волокно изменяется по модулю растяжения (или жесткости, определяемой как деформация при растяжении), а также по прочности на растяжение, сжатие и усталость. Углеродное волокно на основе PAN доступно сегодня с низким модулем (менее 32 миллионов фунтов на кв. Дюйм / кв. Дюйм или <32 Msi), стандартным модулем (от 33 до 36 Msi), промежуточным модулем (от 40 до 50 Msi), высоким модулем (от 50 до 70 Msi). ) и сверхвысокий модуль (от 70 до 140 MSI).Волокно, которое доступно в жгутах, называемых жгутом, бывает разных размеров, в диапазоне от 1К до 350К (1К соответствует 1000 нитей диаметром от 5 до 10 микрон). Продукты также различаются по степени содержания углерода и типу обработки поверхности / покрытия.

«Сложность, присущая композитам из углеродного волокна, - это та самая вещь, которая повышает ценность конструкций из углеродного волокна», - говорит Стивен Кармайкл, директор по продажам и маркетингу дочерней компании MRC Grafil Inc. (Сакраменто, Калифорния).«Как и при изготовлении хорошего вина, правильное количество терпения, тонкости и опыта обработки выявляет тонкости углеродного волокна, которые повышают ценность». Это значение, конечно, очень велико: в качестве замены металла композиты из углеродного волокна в 10 раз превосходят прочность стали на половину веса.

Проще говоря, углеродное волокно получают пиролизом органического волокна-предшественника в инертной атмосфере при температуре выше 982 ° С / 1800 ° F. Однако производство углеродного волокна является сложным делом.Завод Grafil площадью 60 000 футов / 5 574 м² в Сакраменто, Калифорния HPC прохождение основных этапов производства. Это полимеризация и прядение, окисление (также называемое стабилизацией), карбонизация (иногда неточно называемая графитизацией), обработка поверхности и нанесение шлихты. На протяжении всего процесса жесткие допуски определяют конечную полезность волокна.«Целевой коэффициент вариации доходности составляет 1%», - говорит Гордон Ширер, директор по операциям Grafil, отмечая, что реальные вариации составляют около 3% для малых буксировок (от 1 до 24 тыс.), Которые используются в требовательных приложениях, таких как самолеты (следовательно, его обозначение как аэрокосмический класс), в то время как большой буксир (промышленного или коммерческого класса) может варьироваться до 15%

Основные этапы двухстадийного процесса, используемого для производства углеродного волокна на основе PAN, включают этапы процесса, используемого для изготовления «основной цепи полиакрилонитрила (PAN)».ИСТОЧНИК | Grafil Inc.

Полимеризация

Процесс начинается с полимерного сырья, известного как прекурсор («то, что предшествует»), которое обеспечивает молекулярную основу волокна. Сегодня около 10% производимого углеродного волокна производится из предшественника на основе вискозы или пека, но большинство из них получают из полиакрилонитрила (PAN), изготовленного из акрилонитрила, который получают из товарных химических веществ пропилена и аммиака.

По этой причине в данной статье описывается производство углеродного волокна на основе ПАН.

Упрощенное представление линии карбонизации.
Иллюстрация | Карл Реке; Исходный материал | Grafil Inc.

Преобразование PAN в углеродное волокно бросает вызов производителям уже более 30 лет. Кармайкл добавляет, что большая часть инвестиций производителя углеродного волокна тратится на прекурсор, а качество готового волокна напрямую зависит от его качества. В частности, отмечает Ширер, внимание к качеству прекурсоров сводит к минимуму изменение урожайности или длины на единицу массы волокна.

Обычно состав предшественника начинается с акрилонитрильного мономера, который объединяют в реакторе с пластифицированными акриловыми сомономерами и катализатором, таким как итаконовая кислота, диоксид серной кислоты, серная кислота или метилакриловая кислота. Непрерывное перемешивание смешивает ингредиенты, обеспечивает консистенцию и чистоту и инициирует образование свободных радикалов в молекулярной структуре акрилонитрила. Это изменение приводит к полимеризации, химическому процессу, который создает полимеры с длинной цепью, которые могут быть сформированы в акриловые волокна.

Детали полимеризации, такие как температура, атмосфера, специфические сомономеры и катализатор, являются собственностью. По словам Питера Моргана, автора «Углеродные волокна и их композиты» (CRC Press, 2005), «полимеризация должна достигать по меньшей мере 85% содержания акрилонитрила и относительной молекулярной массы 100000 г / моль с равномерным распределением, чтобы наполнить белое волокно PAN хорошим механические свойства." Например, прекурсор MRC, используемый Grafil, обеспечивает содержание акрилонитрила от 94 до 98%.

После промывки и сушки акрилонитрил, в настоящее время в виде порошка, растворяют в органических растворителях, таких как диметилсульфоксид (ДМСО), диметилацетамид (DMAC) или диметилформамид (DMF), или в водных растворителях, таких как хлорид цинка и соль родана. Органические растворители помогают избежать загрязнения микроэлементами, которые могут нарушить термоокислительную стабильность во время обработки и замедлить высокотемпературные характеристики готового волокна. На этой стадии суспензия порошка и растворителя или предшественник «допинг» представляет собой консистенцию кленового сиропа.Выбор растворителя и степень, до которой можно регулировать вязкость допинга (посредством интенсивной фильтрации), имеют решающее значение для успеха следующей фазы, формирования волокна.

Спиннинг

Волокна

PAN формируются с помощью процесса, называемого мокрым прядением. Дурман погружается в ванну с жидкой коагуляцией и выдавливается через отверстия в фильере, изготовленной из драгоценных металлов. Отверстия фильеры соответствуют желаемому количеству филаментов волокна PAN (например,г., 12000 отверстий для 12К углеродного волокна). Это влажно-пряденое волокно, относительно желатиновое и хрупкое, вытягивается роликами через промывку для удаления избытка коагулянта, затем высушивается и растягивается для продолжения ориентации полимера PAN. Здесь внешняя форма и внутреннее поперечное сечение нити определяются степенью проникновения выбранного растворителя и коагулянта в волокно-прекурсор, величиной приложенного натяжения и процентом удлинения нити. Последний является собственностью каждого производителя, но Морган утверждает, что скорость растяжения может быть в 12 раз выше начальной гибкости исходного волокна.

Альтернативой мокрому прядению является гибридный процесс, называемый сухим струйным / мокрым прядением, в котором используется вертикальный воздушный зазор между волокном и коагуляционной ванной. Это создает гладкое, круглое волокно PAN, которое может улучшить взаимодействие волокно / матричная смола в композитных материалах.

Последним этапом формирования волокна предшественника ПАН является нанесение финишного масла, предотвращающего комкование липких нитей. Белое волокно PAN затем снова сушат и наматывают на бобины.

Окисление

Эти бобины загружаются в крем, который подает волокно PAN через ряд специализированных печей на наиболее трудоемкой стадии производства - окислении.Прежде чем они войдут в первую печь, волокна PAN распределяются плоско в буксирную ленту или лист, называемый основой. Температура в окислительной печи составляет от 392 до 572 ° F (от 200 до 300 ° C). Процесс объединяет молекулы кислорода из воздуха с волокнами PAN в основе и заставляет полимерные цепи начинать сшивание. Это увеличивает плотность волокна с ~ 1,18 г / см 3 до 1,38 г / см 3.

Во избежание экзотермического эффекта убегания (общая экзотермическая энергия, выделяемая во время окисления, оцениваемая в 2000 кДж / кг, представляет реальную опасность пожара), производители печей используют различные конструкции воздушных потоков, которые помогают рассеивать тепло и контролировать температуру (см. Боковую панель ниже).Мэтт Лицлер, президент C.A. Litzler Co. Inc. (Кливленд, штат Огайо) отмечает, что «каждый предшественник имеет свою собственную экзотермическую структуру. Поскольку индивидуальный химический состав прекурсора является фиксированным, контроль температуры и потока воздуха в окислительной печи адаптируется к каждому прекурсору и обеспечивает стабилизацию экзотермической реакции ».

Время окисления варьируется в зависимости от конкретной химии прекурсоров, но, по оценкам Литцлера, буксируемая скорость 24K может окисляться со скоростью около 43 футов / 13 м в минуту на большой производственной линии с несколькими печами для окисления.Рэнди Строп, генеральный директор производителя печей Despatch Industries (Лейквилль, Миннесота), говорит, что обычно отводится от 60 до 120 минут, как четыре-шесть печей на одну производственную линию, причем печи объединены в две зоны нагрева, которые обеспечивают 11 до 12 проходов волокна в духовке. В конце концов, окисленное (стабилизированное) волокно PAN содержит от 50 до 65% молекул углерода с балансом смеси водорода, азота и кислорода.

Воздушный поток и скорость воздуха являются ключевыми для контроля экзотермической и температурной согласованности в процессе окисления.На этой схеме Despatch Industries показана запатентованная компанией схема сквозного параллельного потока. ИСТОЧНИК | Despatch Industries

Печи нового поколения нацелены на повышение эффективности

При производстве углеродного волокна многое зависит от конструкции печей и печей, которые пиролизуют волокна.

В процессе окисления поток воздуха в печи играет важную роль в регулировании температуры процесса и предотвращении экзотермических реакций. Конструкции воздушного потока могут быть однопотоковыми (параллельными или перпендикулярными буксирной полосе) или многолучевыми.

По словам Рэнди Стропа (Randy Strop), генерального директора по производству печей Despatch Industries (Лейквилль, Миннесота), подразделения по производству углеродного волокна, производители углеродного волокна нуждаются в трех важных элементах в окислительных печах: пропускная способность, масштабируемость и энергоэффективность. Чтобы определить оптимальную уставку окислительной печи для особых требований производителей углеродного волокна среди своих клиентов, Despatch проверил запатентованный параллельный поток воздуха от центра к концу через температурные градиенты, измеренные 40 различными калиброванными термопарами, расположенными с каждой стороны рабочей зоны печи.Строп отмечает, что эта конструкция допускает более высокие скорости воздуха - до 13,1 фута / с (4 м / с) при выпуске из сопла - и больший объем воздуха, чем в других конфигурациях печи. Эта конфигурация также обеспечивает высокую равномерность температуры в среднем ± 1 ° C, из стороны в сторону, по всей ширине буксирной ленты. Клиенты сообщили, что в печах промышленного масштаба скорость окисления увеличивается на 25%.

Despatch предлагает печи шириной от 1 до 11,5 футов (0,3–3,5 м), автоматические жалюзи на входе и выходе, которые минимизируют потери тепла и сокращают время настройки, а также рециркуляцию нагретого воздуха для сокращения общего потребления энергии.Предполагаемая экономия энергии по сравнению с традиционными конструкциями печей на противоположных автоматических жалюзи шириной 6,6 фута / 2 м с уменьшенным отверстием в прорези 0,35 дюйма / 9 мм составляет 10 кВт / ч.

кл. Litzler Co. Inc. (Кливленд, Огайо), производитель окислительной печи в течение 30 лет, оснастил свою продукцию несколькими температурными зонами и воздушным каналом с регулируемым поперечным потоком, который подает воздух со скоростью 5-9 футов (1,5-2,7 м). в секунду на каждом жгуте, что приводит к равномерной обработке волокна-предшественника. Запатентованные торцевые уплотнения решают то, что президент компании Мэтт Литцлер описывает как «простую физику эффекта дымовой трубы, когда холодный воздух поступает в нижние слоты продукта, а горячий воздух выходит из верхних слотов.Это может создать холодные пятна в духовке и быть опасным для операторов. Наши торцевые уплотнения делают каждую щель нейтральной, уменьшают количество отработанного воздуха и эффективно удлиняют полезную печь, устраняя проникновение холодного воздуха ».

В дополнение к пилотным и производственным печам шириной до 10 футов / 3 м, C.A. Litzler также проектирует и производит натяжные ролики, приводные ролики и натяжные стойки для растягивания волокна.

Поставщик печей для карбонизации с 1940-х годов, Harper International (Lancaster, N.Y.) начал предлагать полную конструкцию и оборудование линии по производству углеродного волокна в 1990-х годах и установку под ключ линий на основе PAN в 2000 году. Роберт Блэкмон, вице-президент отдела технологических систем, отмечает, что новейшее поколение более широких печных систем более эффективный, производящий больший объем углеродного волокна с меньшим энергопотреблением на фунт волокна. Harper предлагает печи шириной до 13 футов / 4 м и длиной более 46 футов / 14 м с высокоэффективной изоляцией.

Особое внимание уделяется входным и выходным продувочным камерам.Блэкмон объясняет, что каждая молекула кислорода, попадающая в систему, не только разрушает волокно, но и огнеупорную поверхность печи. «Наша система продувки значительно снижает иммиграцию кислорода, что может увеличить выход продукта, его качество и срок службы оборудования». Чтобы повысить энергоэффективность и снизить производственные затраты, Harper разработал рекуперативную систему рекуперации тепла от окисления. Блэкмон признает, что с таким оптимизированным контролем окружающей среды существует компромисс стоимости, но он считает, что «извлеченная энергия обычно оправдывает затраты.

«Печи Харпера атмосферно контролируются инертными газами, такими как азот или аргон, и могут работать в температурном диапазоне от 572 до 5432 ° F (от 300 до 3000 ° С) для углеродного волокна с низким и сверхвысоким модулем, ”Заявляет Джон Имхофф, менеджер по маркетингу и развитию бизнеса. Harper также предлагает системы отделки поверхности и калибровки для различных химикатов электролитической и матричной смол.

Карбонизация

Карбонизация происходит в инертной (бескислородной) атмосфере внутри серии специально разработанных печей, которые постепенно повышают температуру обработки.На входе и выходе каждой печи камеры продувки предотвращают проникновение кислорода, поскольку каждая молекула кислорода, которая проходит через печь, удаляет часть волокна, объясняет Роберт Блэкмон, вице-президент Process Systems Div. у источника печи Harper International (Ланкастер, Нью-Йорк). Это предотвращает потерю углерода, образующегося при таких высоких температурах. В отсутствие кислорода только неуглеродные молекулы, включая элементы цианистого водорода и другие ЛОС (образующиеся во время стабилизации при уровнях концентрации от 40 до 80 ч / млн) и частицы (такие как локальное накопление остатков волокон), удаляются и выводятся из печи для последующая обработка в экологически контролируемом мусоросжигательном заводе.В Grafil карбонизация начинается в низкотемпературной печи, которая подвергает волокно 1292-1472 ° F (700-800 ° C), и заканчивается в высокотемпературной печи при 2192-2732 ° F (1200-1500 ° C). Натяжение волокна должно продолжаться на протяжении всего производственного процесса. В конечном итоге кристаллизация молекул углерода может быть оптимизирована для получения готового волокна, содержащего более 90 процентов углерода. Хотя термины углерод и графит часто используются взаимозаменяемо, первый обозначает волокна, карбонизированные при температуре около 1315 ° С / 2400 ° F, и которые содержат от 93 до 95% углерода.Последние графитизируются при 1900-2480 ° C (3450-4500 ° F) и содержат более 99 процентов элементарного углерода.

Количество печей определяется требуемым модулем в углеродном волокне; Часть относительно высокой стоимости углеродного волокна с высокой и сверхмодульной характеристикой обусловлена ​​продолжительностью времени выдержки и температурой, которые должны быть достигнуты в высокотемпературной печи. Хотя время выдержки является запатентованным и отличается для каждого сорта углеродного волокна, время выдержки при окислении измеряется в часах, но карбонизация на порядок короче, измеряется в минутах.По мере того, как волокно обугливается, оно теряет вес и объем, сокращается на 5-10% в длину и сжимается в диаметре. Фактически, продемонстрированное отношение химического превращения PAN-предшественника к PAN-углеродному волокну составляет около 2: 1 с менее чем 2% -ной проницаемостью, то есть значительно меньше материала выходит из процесса, чем идет в него.

Обработка и калибровка поверхности

Обработка поверхности и определение размера увеличивают общую площадь поверхности и пористость волокна и изменяют его поверхностную энергию для улучшения адгезии между волокном и полимерной матрицей в композите.ИСТОЧНИК | Grafil Inc.

Следующий шаг имеет решающее значение для производительности волокна, и, помимо прекурсора, он наиболее сильно отличает продукт одного поставщика от продукта его конкурентов. Адгезия между матричной смолой и углеродным волокном имеет решающее значение в армированном композите; во время изготовления углеродного волокна проводится обработка поверхности для усиления этой адгезии. Производители используют различные способы обработки, но общий метод включает протягивание волокна через электрохимическую или электролитическую ванну, содержащую растворы, такие как гипохлорит натрия или азотная кислота.Эти материалы протравливают или шероховатую поверхность каждой нити, что увеличивает площадь поверхности, доступную для межфазного соединения волокон / матриц, и добавляет химически активные группы, такие как карбоновые кислоты.

Затем наносится высоко запатентованное покрытие, называемое проклейкой. От 0,5 до 5% от массы углеродного волокна проклейка защищает углеродное волокно во время обработки и обработки (например, ткачества) в промежуточные формы, такие как сухая ткань и препрег. Размеры также удерживают нити вместе в отдельных жгутах, чтобы уменьшить пух, улучшить технологичность и увеличить прочность на сдвиг между поверхностями между волокном и матричной смолой.Производители углеродного волокна все чаще используют калибровку, соответствующую потребностям конечного потребителя (см. Боковую панель ниже и «Достижения в области размеров и обработки поверхности для углеродных волокон»). В Grafil, добавляет Кармайкл, «мы можем настроить обработку поверхности и размеры в соответствии с характеристиками смолы конкретного клиента, а также с конкретными свойствами, необходимыми для композита».

По словам Энди Бринка, соучредителя бывшей компании Hydrosize Technologies (Роли, Северная Каролина), в настоящее время являющейся частью Michelman (Цинциннати, Огайо), которую он выполняет в качестве менеджера по развитию бизнеса, «Формирование полимерных пленок, полученных дисперсией частиц, взвешенных в воде, обеспечивает стабильная химия, которая создает хорошее покрытие при сушке.Скорость большинства линий из углеродного волокна обеспечивает достаточно равномерное нанесение размеров, что сводит к минимуму скопления агрегатов или оголенные участки ».

Когда калибровка высыхает, длительный процесс завершен. Grafil (как и другие поставщики) отделяет отдельные буксиры от основы и наматывает их на шпульки для отправки клиентам, включая препреггеры и ткачи.

Если история отрасли служит предвестником ее будущего, огромные масштабы машин и производственных мощностей, необходимых для успешного преобразования белого PAN-волокна в черное углеродное волокно, позволяют предположить, что производство этого современного материала не является делом для слабонервных или неопытный.Три десятилетия совершенствования обработки привели к совершенствованию технологий и способности обеспечить превосходную производительность и универсальность применения с помощью волокон для современных композитов. То, что было раньше, как в технологическом, так и в экономическом плане, создает основу для потенциального роста спроса, который отмечает будущее.

Тенденции в производстве углеродного волокна

Технологические изменения сделали углеродное волокно доступным и более практичным для использования изготовителями оборудования на широком спектре рынков и областей применения.Поставщики размеров и те, кто строит печи и печи, с помощью которых осуществляется пиролиз, недавно рассказали о некоторых наиболее значительных разработках для высокопроизводительных вычислений.

Размеры для многих матриц

Поскольку исторически большинство углеродных волокон использовалось с эпоксидными матрицами, проклейка основывается преимущественно на эпоксидной основе и имеет низкую молекулярную массу, что способствует гибкости и растекаемости волокон. Тем не менее, ведутся исследования по созданию размеров с химическими составами, которые соответствуют разнообразным матричным смолам, в настоящее время востребованным для конечных применений.

Компания

Hydrosize Technologies (Роли, Северная Каролина, которая была приобретена Мишельманом из Цинциннати, штат Огайо в июне) предлагает коммерчески 17 размеров углеродного волокна, хотя менеджер по развитию бизнеса Энди Бринк указывает, что компания может создать размеры для нескольких комбинаций волокно / матрица, а также для различных составных производственные процессы. Он говорит, что почти все размеры компании не содержат растворителей и опасных загрязнителей воздуха. Одним из примеров является Hydrosize U601, уретановая проклейка с высокой молекулярной массой, которая, как сообщается, улучшает как смачивание волокна уретановыми смолами, так и смазывающую способность (уменьшенное трение во время обработки) с помощью экологически чистого состава.

На научно-исследовательском объекте Adherent Technologies в Альбукерке, штат Нью-Мексико, президент Рональд Оллред в течение 35 лет занимается научным анализом проблем взаимодействия волокон и матриц. Он, как сообщается, обнаружил химический реактив, который влияет на молекулы углерода в волокне, чтобы улучшить межфазную связь между волокном и матрицей. «В настоящее время мы используем эту химию для улучшения межфазной адгезии в углеродном волокне / виниловом эфире и углеродном волокне / бисмалеимиде для ВМС США, в том числе в составных компонентах двигателя для F-35 Joint Strike Fighter.Он отмечает, что до использования проклейки виниловых эфиров Adherent «военно-морской флот испытывал только 50% желаемых теоретических свойств из-за плохой передачи сдвига на границе раздела. Точно так же высокотемпературные композиты могут страдать от плохой окислительной стабильности с размерами, не разработанными для соответствия требованиям свойств матричной смолы ».

,

Свойства углеродного волокна

Carbon Fiber как материал приобрел мистические масштабы! Мало того, что он имеет репутацию лучшего и сильного, но также стало круто иметь что-то из углеродного волокна!

Я не претендую на звание эксперта. Эта статья объединяет информацию, которую я нашел в своем исследовании углеродного волокна, я не являюсь первичным источником. Я пытаюсь быть точным, но Я ДЕЛАЮ ОШИБКИ, я знаю, что это может стать неожиданностью для некоторых из вас, но это так.Если вы планируете построить мачту или что-то еще, сделайте свое исследование. Проконсультируйтесь со специалистом и будьте осторожны. Радоваться, веселиться.

Во-первых, что такое углеродное волокно

Carbon Fiber, что неудивительно, сделан из кристаллов углерода, выровненных по длинной оси. Эти соты в форме кристаллов объединяются в длинные сплюснутые ленты. Такое выравнивание кристаллов делает ленту прочной на длинной оси. В свою очередь эти ленты выравниваются внутри волокон. Форма волокна - это исходная форма материала (его предшественника), используемого для производства углеродного волокна.Я не знаю ни одного процесса, где волокна формируются после карбонизации. Эти волокна (содержащие плоские ленты из кристаллов углерода), в свою очередь, упакованы производителем в более толстые волокна и вплетены в углеродную ткань, превращены в войлок, скручены или скручены без скручивания. Это упоминается как Ровинг. Углеродное волокно также предлагается в виде рубленых прядей и порошка.

Чтобы изменить характеристики компоновки, иногда добавляются другие материалы, такие как стекловолокно, кевлар или алюминий.Углеродное волокно используется редко. Скорее это встроено в матрицу. В производстве мачт и лодок мы обычно думаем об эпоксидных или полиэфирных смолах, но углеродное волокно также используется в качестве армирования для термопластов, бетона или керамики.

Производство углеродного волокна

Существует несколько способов изготовления углеродного волокна, но по сути все они начинаются с изготовления волокон из обогащенного углеродом материала-предшественника. Исходный размер и форма волокна останутся в готовом углеродном волокне, но внутренняя химическая структура будет значительно изменена в результате различных циклов нагрева.Первыми шагами являются карбонизация и растяжение предшественников волокон, либо PAN: полиакрилонитрил, пек или вискоза. Есть несколько циклов нагрева при различных температурах, исключая кислород. Этот процесс удаляет большинство других элементов (главным образом, водорода и азота) исходного материала, оставляя углерод. Это также позволяет углю постепенно кристаллизоваться характерным сотовым способом. Если вы еще этого не видели, перейдите на мою страницу Исследования углерода и посмотрите видео о структуре углеродного волокна.это невероятно

Это видео на Youtube показывает, что производится углеродное волокно, и его стоит посмотреть.

Наиболее важными факторами, определяющими физические свойства углеродного волокна, являются степень карбонизации (содержание углерода, обычно более 92% по массе) и ориентация слоистых углеродных плоскостей (лент). Волокна производятся коммерчески с широким диапазоном кристаллического и аморфного содержания, чтобы изменить или улучшить различные свойства.

В зависимости от исходного материала и процесса карбонизации углеродное волокно модифицируется в соответствии с конечной целью.ПАН или полиакрилонитрил является наиболее распространенным прекурсором для пластиковых композитов.

Основными вариациями характеристик является прочность против жесткости. При использовании различных циклов нагрева можно выделить любой из них. Проводятся исследования для изменения других характеристик, таких как тепло и электрическая проводимость.

Важна не только внутренняя структура волокон, но и то, как они выровнены в готовых изделиях, оказывает огромное влияние на свойства производимого изделия. Правильное выравнивание углеродных волокон имеет важное значение для максимизации их преимуществ.

Свойства Углеродного Волокна, Что не Любить !!

  1. Соотношение высокой прочности и веса
  2. Жесткость
  3. Коррозионная стойкость
  4. Электропроводность
  5. Сопротивление усталости
  6. Хорошая прочность на растяжение, но хрупкая
  7. Огнестойкость / Негорючий
  8. Высокая теплопроводность в некоторых формах
  9. Низкий коэффициент теплового расширения
  10. Неядовитый
  11. Биологически инертный
  12. Рентген проницаемый
  13. Относительно дорогой
  14. Требует специального опыта и оборудования для использования.

Я не написал подробно, но углеродное волокно является самосмазывающимся, а также имеет отличную защиту от электромагнитных помех

1- Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к весу (также известное как удельная прочность)

Прочность материала - это сила на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность. Любой материал, который является сильным и легким, имеет благоприятное соотношение прочности и веса. Материалы, такие как алюминий, титан, магний, углерод и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности и веса.Неудивительно, что древесина бальзы имеет высокое соотношение прочности и веса.

Следующие цифры предлагаются только для сравнения и будут варьироваться в зависимости от состава, сплава, типа паука, плотности древесины и т. Д. Единицы измерения - кН.м / кг.

Волокно Spectra 3619
Кевлар 2514
Углеродное волокно 2457
Стекловолокно 1307
Спайдерный шелк 1069
Углеродный углерод 785
осевая нагрузка бальза 521
легированная сталь 254
алюминиевый сплав 222
полипропилен 89
дуб 87
Нейлон 69

Обратите внимание, что прочность и жесткость - это разные свойства, прочность - это сопротивление разрушению, жесткость - сопротивление изгибу или растяжению.

Из-за того, что кристаллы углеродного волокна ориентированы в длинную плоскую ленту или узкие листы сотовых кристаллов, прочность выше в продольном направлении, чем по всему волокну. Вот почему разработчики объектов из углеродного волокна указывают направление, в котором должно быть проложено волокно, чтобы максимизировать прочность и жесткость в определенном направлении. Волокно выравнивается по направлению наибольшего напряжения.

Углеродное волокно-прекурсор на основе сковороды имеет более высокую прочность, чем углеродное волокно на основе пека, которое имеет более высокую жесткость

2- Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется его модулем Юнга и измеряет, насколько материал отклоняется под нагрузкой. Углеродный пластик в 4 раза жестче стеклопластика, почти в 20 раз больше, чем сосна, в 2,5 раза больше алюминия. Для получения дополнительной информации о жесткости и способах ее измерения, а также сравнительной таблице различных материалов см. Мою страницу «Модуль Юнга».

Помните, что напряжение - это сила, напряжение - это отклонение, например, изгиб или растяжение.

3- Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически устойчиво.

Хотя сами углеродные волокна не подвержены значительному износу, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и нуждается в защите. Другие матрицы (во что бы то ни было встроено углеродное волокно) также могут быть реактивными.

Углеродные волокна могут быть подвержены воздействию сильных окислителей

Композиты, изготовленные из углеродного волокна, должны быть либо изготовлены из эпоксидной смолы, устойчивой к ультрафиолетовому излучению (редко), либо покрыты устойчивой к ультрафиолетовому излучению отделкой, такой как лаки.

4- Углеродное волокно является электропроводящим

Эта функция может быть полезной или неприятной.В строительстве лодок необходимо учитывать проводимость, так же как и алюминиевая проводимость. Проводимость из углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии в фитингах. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Пыль из углеродного волокна может накапливаться в магазине и вызывать искры или короткие замыкания в электрических приборах и оборудовании.

В настоящее время довольно много исследований и разработок по использованию электропроводности углеродного волокна для производства тепла либо для более быстрого отверждения композитных материалов, либо для самих возможностей нагрева.Это может найти применение в зимней одежде или одежде, предназначенной для суровых условий.

Вот исследовательский документ по проводящим тканям и их использованию в обнаружении боевых ран. PDF файл

5- Устойчивость к усталости хороша

Устойчивость к усталости в композитах из углеродного волокна - это хорошо. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно терпит неудачу катастрофически без значительных внешних признаков, чтобы объявить о его неизбежном отказе.

Повреждение при усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости при большем числе циклов напряжения (если температура не высокая).

Испытания показали, что разрушение вряд ли является проблемой, когда циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталости и статической прочности, а также по жесткости.

Ориентация волокон И разная ориентация волоконного слоя оказывают большое влияние на то, как композит будет сопротивляться усталости (как это влияет на жесткость). Тип применяемых сил также приводит к различным типам отказов. Натяжение, Сжатие или Усилие сдвига - все это приводит к заметно отличающимся результатам отказов.

Бумага Ок-Риджской национальной лаборатории, посвященная испытаниям углеродных волокнистых композитов, предназначенных для автомобильной промышленности.Американский институт аэронавтики и космонавтики проводит испытания материалов для лопастей ветряных турбин.

6- Углеродное волокно имеет хорошую прочность на растяжение

Прочность на растяжение или предел прочности - это максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Шейка - это когда сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в один прекрасный момент начнет сужаться. Это шея.Прочность на растяжение измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одинаковом уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при небольших напряжениях. (другими словами, до катастрофического разрушения нет большого количества изгибов или растяжений) Модуль Вейбулла для хрупких материалов

Тестирование включает в себя отбор образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем вытягивание его, постепенно увеличивая усилие, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, диаметр которых составляет всего лишь 2/10000 дюйма, изготавливаются из композитов соответствующей формы для проведения испытаний.

Единицы измерения МПа Эта таблица предлагается только для сравнения, поскольку существует большое количество переменных.

Углеродистая сталь 1090 650
Полиэтилен высокой плотности (HDPE) 37
Полипропилен 19.7-80
Полиэтилен высокой плотности 37
Нержавеющая сталь AISI 302 860
Алюминиевый сплав 2014-T6 483
Алюминиевый сплав 6063-T6 248
E-Glass отдельно 3450
E-Glass в ламинате 1500
Только углеродное волокно 4127
Углеродное волокно в ламинате 1600
Кевлар 2757
Сосновый лес (параллельно зерну) 40

ПРИМЕЧАНИЕ : При тестировании углеродного волокна и других волокон и неоднородных материалов, образцы должны быть сделаны нет и сопоставимы.Это не простая процедура. Если вы читаете исследование, в котором сравнивается прочность / жесткость, исследователи всегда объяснят, как были изготовлены их образцы, включая тип матрицы, выравнивание волокон, соотношение волокон и матрицы, а также другие факторы. Эта трудность объясняет, почему измерения могут сильно различаться между результатами исследований.

7- Огнестойкость / негорючий

Вот статья об утилизации углеродного волокна путем сжигания матрицы.

Углеродное волокно классифицируется как негорючее и не имеет указанной температуры вспышки.Если он подвергается сильному нагреванию при наличии горения топлива, он может в конечном итоге окислиться, но как только пламя и топливо удалены, пламя не продолжается.

Поскольку углеродное волокно почти всегда используется в матрице, такой как эпоксидная смола, пластик или бетон, допуск матрицы к высокой температуре является более существенным фактором.

В зависимости от производственного процесса и материала прекурсора, углеродное волокно может быть достаточно мягким для рук и может быть встроено или чаще встроено в защитную одежду для пожаротушения.Никелированное волокно является примером. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где в сочетании с коррозийными веществами происходит пожар. ВЫСОКОТЕМПРОЧНАЯ СВАРНАЯ ОДЕЖДА - ЧЕРНЫЙ, 18 "Х 24" Эти войлочные углеродные волокнистые одеяла также используются для защиты подложек при выполнении пайки сантехникой. ,

8- Теплопроводность углеродного волокна

См. Мою статью о теплопроводности материалов на основе углерода, включая углеродное волокно, нанотрубки и графен.

Теплопроводность - это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, перпендикулярном поверхности единичной площади, из-за градиента температуры единицы в устойчивых условиях.Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло течет через материал.

Существует ряд систем мер в зависимости от метрических или имперских единиц.

1 Вт / (м.К) = 1 Вт / (м. o C) = 0,85984 ккал / (ч. М. o C) = 0,5779 БТЕ / (фут.час. o F)

Эта таблица только для сравнения. Единицы измерения Вт / (м.К)

Воздух .024
Алюминий 250
Бетон .4 - .7
Углеродистая сталь 54
Изоляция из минеральной ваты .04
Фанера .13
Кварц 3
Пирексовое стекло 1
Сосна .12
Эпоксидная смола, армированная углеродным волокном 24

Поскольку существует множество вариаций на тему углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность.Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

В Информационном обществе о материалах есть страница о "графите" AKA Carbon Fiber

9- Низкий коэффициент теплового расширения

Это показатель того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры.

Единицы в дюймах / дюйм F, как и в других таблицах, единицы не так важны, как сравнение.

Сталь 7
Алюминий 13
Кевлар 3 или ниже
Углеродистое волокно 2 или менее
Однонаправленное углеродное волокно минус 1 к + 8
Стекловолокно 7-8
Латунь 11

Углеродное волокно может иметь широкий диапазон CTE, от -1 до 8+, в зависимости от измеренного направления, ткани, материал-прекурсор, на основе Pan (высокая прочность, более высокая CTE) или Pitch (высокий модуль / жесткость, более низкая CTE).

При достаточно высокой мачте различия в коэффициентах теплового расширения различных материалов могут немного изменить натяжение буровой установки.

Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где небольшие движения могут быть критическими. Телескоп и другие оптические машины является одним из таких приложений.

10-11-12 Не ядовитый, биологически инертный, проницаемый для рентгеновских лучей

Эти качества делают углеродное волокно полезным в медицинских целях. Использование протезов, имплантация и восстановление сухожилий, рентгеновские аксессуары, хирургические инструменты, все в разработке.

Несмотря на то, что углеродные волокна не ядовиты, они могут вызывать сильное раздражение, поэтому длительное незащищенное воздействие должно быть ограничено. Матрица либо эпоксидная, либо полиэфирная, однако, может быть токсичной, и необходимо соблюдать надлежащий уход.

13- Углеродное волокно относительно дорого

Несмотря на исключительные преимущества снижения прочности, жесткости и веса, стоимость является сдерживающим фактором. Если весовое преимущество не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно не стоит дополнительных затрат.Низкие требования к техническому обслуживанию углеродного волокна являются еще одним преимуществом.

Сложно количественно оценить круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, что заставляет потребителей желать платить больше за его использование.

Вам может понадобиться меньше по сравнению с стекловолокном, и это может быть экономией.

Волокно Glast Real Carbon Fiber - 3K, 2 X 2 - Плетение из твила - 1 ярд Ролл

Noahs поставляет углеродное волокно и стеклоткань для производителей лодок-любителей, блуждают в их онлайн-каталоге и сравнивают цены.(Канадский магазин)

14- Углеродные волокна хрупкие

Слои в волокнах образованы сильными ковалентными связями. Пластинчатые скопления легко допускают распространение трещин. Когда волокна изгибаются, они разрушаются при очень низкой деформации. Другими словами, углеродное волокно не сильно сгибается, прежде чем разрушиться.

Влияние изменяющегося соотношения углеродного волокна и матрицы

15- Углеродное волокно еще не приспособлено для любительской техники.

Чтобы максимизировать характеристики углеродного волокна, необходимо достичь относительно высокого уровня технического совершенства.Недостатки и пузырьки воздуха могут значительно повлиять на производительность. Как правило, автоклавы или вакуумное оборудование не требуется. Формы и оправки также являются основными расходами.

Успех любой любительской конструкции из углеродного волокна будет тесно связан с навыками и заботой.

Вот ссылка на видео YouTube от Easy Composite Ltd. о различных технологиях с использованием углеродного волокна. У них есть ряд учебных видео.


Эта статья в стадии разработки.Я буду продолжать добавлять информацию и уточнять текст по мере изучения предмета. Информация, которую я представил, поступает из разных источников. Я пытался проверить это, когда мог. Я стараюсь использовать «надежные источники», такие как данные производителя, исследовательские работы или университетские статьи. Я также полагаюсь на Википедию для обзора.
Хорошая статья из Университета Теннесси по производству углеродного волокна.
Кристина.


напишите мне, если вы найдете ошибки, я исправлю их, и мы все выиграем: Кристина

,

Смотрите также

тел. (495) 665 08 52

тел. (495) 508 19 83

ооо «автопроект» 2005 - 2019