Definisi dan komposisi serat karbon
Kandungan karbon dan sifat asas serat karbon (CF) adalah jenis bahan serat baru dengan kekuatan tinggi dan serat modulus yang tinggi yang mengandungi lebih daripada 95% karbon. Ia adalah bahan grafit microcrystalline yang diperolehi dengan menyusun serat organik seperti mikrokristal grafit Flake di sepanjang arah paksi gentian, selepas karbonisasi dan grafitisasi. Jisim serat karbon lebih ringan daripada aluminium logam, tetapi kekuatannya lebih tinggi daripada keluli, dan mempunyai ciri-ciri rintangan kakisan, modulus yang tinggi, ketumpatan rendah, tidak merayap, kekonduksian elektrik dan terma yang baik, rintangan terhadap suhu ultra tinggi dalam bukan -Soksida persekitaran, dan rintangan keletihan yang baik.
Kandungan karbon serat karbon adalah penunjuk penting yang membezakannya dari bahan serat lain. Secara umumnya, kandungan karbon serat karbon lebih tinggi daripada 90%, yang menjadikan serat karbon dalam sifat fizikal dengan kekuatan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah dan ciri -ciri lain. Ketumpatan serat karbon adalah kira -kira 1.5 hingga 2.0 gram per sentimeter padu, yang kebanyakannya ditentukan oleh suhu rawatan karbonisasi. Selepas suhu tinggi 3000 ℃ rawatan grafitisasi, ketumpatan sehingga 2.0 gram setiap sentimeter padu.
Struktur mikrokristal dan komposisi bahan
Struktur microcrystalline serat karbon adalah kunci kepada sifat uniknya. Serat karbon terutamanya terdiri daripada karbon, bentuknya mempunyai anisotropi yang signifikan, lembut, boleh diproses ke dalam pelbagai kain, di sepanjang arah paksi serat menunjukkan kekuatan tinggi. Struktur microcrystalline serat karbon adalah serupa dengan grafit buatan, yang merupakan struktur grafit yang kacau. Jarak antara lapisan gentian karbon adalah kira -kira 3.39 hingga 3.42 Å. Susunan atom karbon di antara lapisan selari tidak begitu kemas seperti grafit, dan lapisan disambungkan bersama oleh daya van der Waals.
Struktur serat karbon juga biasanya dilihat sebagai terdiri daripada kristal dan liang yang diperintahkan dua dimensi, di mana kandungan, saiz dan pengedaran liang mempunyai kesan yang lebih besar terhadap prestasi serat karbon. Apabila keliangan berada di bawah nilai kritikal tertentu, keliangan tidak mempunyai kesan yang signifikan terhadap kekuatan ricih interlaminar, kekuatan lentur dan kekuatan tegangan komposit serat karbon. Sesetengah kajian telah menunjukkan bahawa keliangan kritikal yang menyebabkan penurunan sifat mekanik bahan adalah 1%-4%.
Dalam struktur microcrystalline gentian karbon, saiz mikrokristal grafit dan jarak lapis adalah dua parameter penting. Serat karbon tinggi Modulus mempunyai struktur kristal grafit tiga dimensi yang diperintahkan secara tempatan dengan kecacatan lamellae grafit yang lebih sedikit, penumpukan yang lebih ketat, dan kandungan karbon yang lebih tinggi. Semasa penyediaan gentian karbon modulus tinggi dari gentian karbon berkekuatan tinggi, kehilangan kekuatan adalah jelas kerana modulus gentian karbon meningkat, yang berkait rapat dengan evolusi struktur mikrokristalin. Pembentukan dan evolusi struktur microcrystalline dan liang gentian karbon bersama -sama mempengaruhi sifat gentian karbon.
Klasifikasi Serat Karbon
Klasifikasi gentian karbon oleh bahan mentah bahan serat sistemcarbon terutamanya diklasifikasikan kepada tiga kategori utama mengikut sistem bahan mentah: serat karbon berasaskan polyacrylonitrile (PAN), serat karbon berasaskan asfalt, dan serat karbon berasaskan viscose, masing-masing mempunyai Sumber unik bahan mentah dan proses penyediaan.
Serat karbon berasaskan pan: adalah produk arus perdana di pasaran semasa, menyumbang lebih daripada 90% daripada jumlah pengeluaran global gentian karbon. Serat karbon berasaskan Karbon telah menjadi pendahulu yang paling menjanjikan untuk pengeluaran karbon berprestasi tinggi Serat disebabkan oleh proses pengeluarannya yang mudah, kos yang lebih rendah, kadar penyerapan karbonisasi yang lebih tinggi, sifat mekanik yang sangat baik, dan ciri -ciri lain. Bahan mentah utamanya adalah acrylonitrile, dan protofilament pan disediakan melalui pempolimeran dan proses berputar, dan kemudian dijadikan serat karbon melalui proses pra-pengoksidaan, karbonisasi dan grafitisasi.
Serat karbon berasaskan asfalt: take asfalt sebagai bahan mentah, selepas modulasi, berputar, rawatan tidak mencair, karbonisasi atau rawatan grafit dan langkah-langkah lain untuk dibuat. Serat karbon berasaskan asfalt mempunyai hasil karbon yang tinggi, tetapi modulasi bahan mentah adalah kompleks, prestasi produk adalah rendah, dan skala semasa kecil. Serat karbon berasaskan padang mempunyai kelebihan dalam modulus, geseran, dan kekonduksian terma, dan oleh itu mempunyai aplikasi dalam aeroangkasa.
Serat karbon berasaskan viskosa: Dibuat dari rayon sebagai bahan mentah, melalui proses hasil karbonisasi rendah, kesukaran teknikal, peralatan kompleks dan kos yang tinggi. Serat karbon berasaskan viskosa terutamanya digunakan untuk bahan tahan ablasi dan bahan penebat haba. Kerana bahan mentahnya adalah produk semulajadi dan tidak mengandungi ion logam, ia mempunyai kelebihan yang tidak dapat ditukar dalam bidang tertentu seperti bahan penebat haba untuk senjata strategik, bahan perlindungan pakaian anti-statik dan anti-electromagnet.
Klasifikasi oleh gentian karbon prestasi diklasifikasikan oleh prestasi, terutamanya berdasarkan kekuatan tegangan dan modulus tegangannya, yang merupakan dua indeks harta mekanikal, dan boleh dibahagikan kepada tujuan umum, kekuatan tinggi (GQ), model sederhana kekuatan tinggi (kekuatan tinggi (kekuatan tinggi (kekuatan tinggi ( Qz), model tinggi (m) dan sebagainya.
Serat Karbon Umum: Mempunyai sifat mekanikal asas dan sesuai untuk aplikasi perindustrian umum, seperti peralatan sukan, bahagian automotif, dll.
Serat karbon kekuatan tinggi: has kekuatan tegangan yang lebih tinggi daripada tujuan umum, digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, peralatan ketenteraan, dan lain-lain, di mana model T300, T700, T800, dan lain-lain adalah serat karbon berkekuatan tinggi.
Kekuatan tinggi Model Serat Karbon: Di samping kekuatan yang tinggi, ia juga mempunyai ciri -ciri modulus yang tinggi, sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan dan kekakuan yang tinggi.
Serat karbon model tinggi: dicirikan oleh modulus yang tinggi, seperti M40, M60 dan model lain, ia digunakan terutamanya untuk aplikasi yang memerlukan kekakuan yang tinggi, seperti komponen struktur satelit, komponen galas utama pesawat, dll.
Serat karbon dengan sifat yang berbeza direalisasikan melalui proses penyediaan yang berbeza dan keadaan rawatan haba untuk memenuhi keperluan khusus untuk sifat dalam aplikasi yang berbeza. Dengan kemajuan teknologi dan pengembangan kawasan aplikasi, klasifikasi prestasi serat karbon juga ditapis dan bertambah baik.
Proses pembuatan serat karbon
Proses berputar
Pembuatan serat karbon bermula dengan proses berputar, satu langkah di mana bahan prekursor seperti polimer organik seperti polyacrylonitrile (PAN) secara kimia diubah menjadi bentuk serat.
Proses berputar biasanya dikategorikan sebagai berputar basah, berputar kering dan berputar basah/kering.
Berputar basah: Dalam berputar basah, larutan polimer diekstrusi melalui lubang spinneret ke dalam mandi pembekuan, di mana pembekuan dicapai oleh penyebaran pelarut. Kaedah ini mempunyai kelajuan pengeluaran yang rendah dan merupakan proses yang kompleks, tetapi ia dapat menghasilkan serat dengan permukaan yang licin dan seragam. Ia telah dikaji bahawa permukaan gentian karbon basah mempunyai alur yang ketara, yang boleh menjejaskan sifat komposit berikutnya.
Spinning kering: Dalam pemutar kering, larutan polimer ditekan dari spinneret dan terus ke kanal berputar, aliran udara panas di kanal menyebabkan pelarut menguap dengan cepat, dan pengawetan berlaku selepas pelarut di aliran halus dari aliran halus dari aliran halus dari Cecair asal menguap. Putar kering mampu pengeluaran berterusan, kelajuan berputar cepat, output besar, pencemaran alam sekitar yang kurang, kualiti serat yang lebih baik dan rintangan kimia dan sifat pencelupan.
Spinning basah dan kering: Menggabungkan ciri -ciri kaedah kering dan basah, stok berputar ditekan dari spinneret dan kemudian melewati bahagian lapisan udara sebelum memasuki mandi pembekuan. Proses ini mempunyai produktiviti yang tinggi, menghasilkan serat karbon yang berkualiti, dan mempunyai kos pengeluaran yang rendah. Kelikatan penyelesaian berputar kering dan basah sehingga 50 ~ 100 pa - s, boleh meningkatkan kepekatan penyelesaian stok berputar, mengurangkan pemulihan pelarut dan penggunaan unit.
Penstabilan
Rawatan penstabilan adalah langkah utama dalam proses pembuatan serat karbon, tujuan utama adalah untuk meningkatkan kestabilan haba gentian prekursor, sebagai persediaan untuk proses pengkanan berikutnya. Dalam langkah ini, serat prekursor dipanaskan hingga 200-300 ° C di udara untuk menggalakkan tindak balas pengoksidaan dan pembentukan struktur trapezoid, dengan itu meningkatkan kestabilan haba gentian.
Kestabilan oksidatif: Serat stabil mempamerkan kestabilan oksidatif yang lebih baik, yang memudahkan penggunaannya di bawah keadaan yang keras. Kajian telah menunjukkan bahawa gentian karbon berasaskan pan yang stabil mempunyai tahap siklisasi yang dikurangkan, kadar penguraian haba yang lebih cepat, dan hasil karbon akhir yang lebih rendah.
Kesan rawatan haba: The masa dan suhu rawatan penstabilan mempunyai kesan yang signifikan terhadap sifat gentian karbon. Secara umum, masa rawatan penstabilan diukur dalam beberapa jam, tetapi masa penguasaan adalah urutan magnitud yang lebih pendek, diukur dalam beberapa minit. Serat menjalani rawatan penstabilan yang mengakibatkan penurunan berat badan yang ketara dan pengurangan diameter.
Rawatan pengatbonisasi dan grafitisasi
Rawatan karbonisasi dan grafit adalah langkah rawatan haba akhir dalam proses pembuatan serat karbon, dan bersama -sama mereka menentukan sifat akhir serat karbon.
Karbonisasi: Semasa proses karbonisasi, filamen preoxygenated pan berada dalam suasana lengai dan secara beransur-ansur dipanaskan dari 400 ° C hingga 1600 ° C, melalui kedua-dua kawasan karbonisasi suhu rendah 400-1000 ° C dan karbonisasi suhu tinggi 1000-1600 ° C. Filamen preoxygenated pan dipanaskan dari 400 ° C hingga 1600 ° C secara beransur -ansur. Dalam suhu ini, unsur-unsur bukan karbon seperti N, H dan O dalam filamen preoxygenated dibebaskan dari serat untuk menghasilkan gentian karbon dengan lebih daripada 90% kandungan karbon.
Grafitisasi: Rawatan grafitisasi biasanya dijalankan pada suhu tinggi 2,500 hingga 3,000 ° C untuk membentuk struktur kristal grafit tiga dimensi biasa dari struktur lamellar grafit yang kacau di dalam serat karbon. Proses ini dapat meningkatkan modulus tegangan serat karbon, jadi gentian karbon grafit digunakan secara meluas dalam aeroangkasa dan teknologi canggih yang lain.
Evolusi Mikrostruktur: Semasa proses grafit, struktur mikro gentian karbon mengalami perubahan yang ketara, dengan mikrokristal grafit meningkat dalam saiz dan jarak lapisan berkurangan, menghampiri jarak lapisan ideal kristal grafit 0.335 nm. sifat mekanikal dan terma gentian karbon.
