Định nghĩa và thành phần sợi carbon
Hàm lượng carbon và tính chất cơ bản bằng sợi carbon (CF) là một loại vật liệu sợi mới có cường độ cao và sợi mô đun cao chứa hơn 95% carbon. Nó là một vật liệu than chì vi tinh thể thu được bằng cách xếp các sợi hữu cơ như các vi tinh thể than chì vảy dọc theo hướng trục của các sợi, sau khi cacbon hóa và graphit hóa. Khối lượng của sợi carbon nhẹ hơn nhôm kim loại, nhưng cường độ cao hơn thép và có đặc tính của khả năng chống ăn mòn, mô đun cao, mật độ thấp, không có độ dẫn điện và nhiệt tốt, khả năng chống lại nhiệt độ cực cao ở không -môi trường oxy hóa, và sức đề kháng mệt mỏi tốt.
Hàm lượng carbon của sợi carbon là một chỉ số quan trọng phân biệt nó với các vật liệu sợi khác. Nói chung, hàm lượng carbon của sợi carbon cao hơn 90%, tạo ra sợi carbon trong các tính chất vật lý với cường độ cao, mô đun cao, mật độ thấp và các đặc điểm khác. Mật độ của sợi carbon là khoảng 1,5 đến 2,0 gram mỗi cm khối, chủ yếu được xác định bởi nhiệt độ của điều trị cacbon hóa. Sau khi nhiệt độ cao 3000 ℃ Xử lý đồ họa, mật độ lên tới 2,0 gram mỗi cm khối.
Cấu trúc vi tinh thể và thành phần vật liệu
Cấu trúc vi tinh thể của sợi carbon là chìa khóa cho các tính chất độc đáo của nó. Sợi carbon chủ yếu bao gồm carbon, hình dạng của nó có tính dị hướng đáng kể, mềm, có thể được xử lý thành nhiều loại vải, dọc theo hướng của trục sợi cho thấy cường độ cao. Cấu trúc vi tinh thể của sợi carbon tương tự như than chì nhân tạo, là một cấu trúc than chì hỗn loạn. Khoảng cách giữa các lớp sợi carbon là khoảng 3,39 đến 3,42. Sự sắp xếp của các nguyên tử carbon giữa các lớp song song không gọn gàng như than chì và các lớp được kết nối với nhau bởi các lực Van der Waals.
Cấu trúc của sợi carbon cũng thường được xem là bao gồm các tinh thể và lỗ chân lông có thứ tự hai chiều, trong đó nội dung, kích thước và phân phối của lỗ chân lông có tác động lớn hơn đến hiệu suất của sợi carbon. Khi độ xốp nằm dưới một giá trị tới hạn nhất định, độ xốp không có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ cắt xen kẽ, độ bền uốn và độ bền kéo của vật liệu tổng hợp sợi carbon. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ xốp quan trọng gây ra sự giảm các tính chất cơ học của vật liệu là 1%-4%.
Trong cấu trúc vi tinh thể của sợi carbon, kích thước vi tinh thể than chì và khoảng cách ply là hai thông số quan trọng. Sợi carbon mô-đun cao có cấu trúc tinh thể than chì ba chiều theo thứ tự cục bộ với các khuyết tật lamellae than chì ít hơn, xếp chồng chặt chẽ hơn và hàm lượng carbon cao hơn. Trong quá trình điều chế các sợi carbon mô-đun cao từ các sợi carbon cường độ cao, sự mất sức mạnh là rõ ràng khi các mô đun của sợi carbon tăng lên, liên quan chặt chẽ đến sự tiến hóa của cấu trúc vi tinh thể. Sự hình thành và sự tiến hóa của cấu trúc vi tinh thể và lỗ rỗng của các sợi carbon cùng ảnh hưởng đến tính chất của sợi carbon.
Phân loại sợi carbon
Phân loại sợi carbon bằng sợi carbon nguyên liệu thô chủ yếu được phân thành ba loại chính theo hệ thống nguyên liệu thô: sợi carbon dựa trên polyacrylonitrile (PAN), sợi carbon dựa trên nhựa đường và sợi carbon dựa trên viscose, mỗi loại có nó có sở hữu nguồn độc đáo của nguyên liệu thô và quá trình chuẩn bị.
Sợi carbon dựa trên PAN: là sản phẩm chính của thị trường hiện tại, chiếm hơn 90% tổng sản lượng sợi carbon toàn cầu. Sợi do quy trình sản xuất đơn giản, chi phí thấp hơn, tốc độ hấp thụ cacbon hóa cao hơn, tính chất cơ học tuyệt vời và các đặc điểm khác. Nguyên liệu thô chính của nó là acrylonitril, và pan protofilament được điều chế thông qua quá trình trùng hợp và quay, sau đó được chế tạo thành sợi carbon thông qua quá trình oxy hóa trước, cacbon hóa và graphit hóa.
Sợi carbon dựa trên nhựa đường: Asphalt Asphalt như nguyên liệu thô, sau khi điều chế, kéo sợi, xử lý không tan chảy, xử lý cacbon hóa hoặc graphitization và các bước khác để thực hiện. Sợi carbon dựa trên nhựa đường có năng suất carbon cao, nhưng điều chế nguyên liệu thô rất phức tạp, hiệu suất sản phẩm thấp và quy mô hiện tại là nhỏ. Sợi carbon dựa trên cao độ có lợi thế trong mô đun, ma sát và độ dẫn nhiệt, và do đó có các ứng dụng trong hàng không vũ trụ.
Sợi carbon dựa trên Viscose: Được làm từ Rayon làm nguyên liệu thô, thông qua quá trình năng suất carbon hóa thấp, độ khó kỹ thuật, thiết bị phức tạp và chi phí cao. Sợi carbon dựa trên Viscose chủ yếu được sử dụng cho các vật liệu chống cắt bỏ và vật liệu phân phối nhiệt. Bởi vì nguyên liệu thô của nó là một sản phẩm tự nhiên và không chứa các ion kim loại, nó có những lợi thế không thể thay thế trong các lĩnh vực cụ thể như vật liệu cách nhiệt đối với vũ khí chiến lược, vật liệu bảo vệ quần áo sóng chống tĩnh điện và chống điện cực.
Phân loại bằng sợi carbon hiệu suất được phân loại theo hiệu suất, chủ yếu dựa trên độ bền kéo và mô đun kéo, là hai chỉ số thuộc tính cơ học và có thể được chia thành các mục tiêu trung bình có độ bền cao (GQ), mô hình trung bình có độ bền cao (mô hình trung bình cao (mô hình trung bình cao ( Qz), mô hình cao (m) và như vậy.
Sợi carbon đa năng: Có các tính chất cơ học cơ bản và phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nói chung, như thiết bị thể thao, bộ phận ô tô, v.v.
Sợi carbon cường độ cao: Độ bền kéo cao hơn so với mục đích chung, được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, thiết bị quân sự, v.v., trong đó các mô hình T300, T700, T800, v.v. là các sợi carbon có độ bền cao phổ biến.
Sợi carbon mô hình trung bình cao: Ngoài cường độ cao, nó còn có các đặc tính mô đun cao nhất định, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ cứng cao.
Sợi carbon mô hình cao: Đặc trưng bởi mô đun cao, chẳng hạn như M40, M60 và các mô hình khác, nó chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ cứng cao, chẳng hạn như các thành phần cấu trúc vệ tinh, các thành phần ổ trục chính của máy bay, v.v.
Sợi carbon với các tính chất khác nhau được thực hiện thông qua các quy trình chuẩn bị khác nhau và điều kiện xử lý nhiệt để đáp ứng các yêu cầu cụ thể đối với các thuộc tính trong các ứng dụng khác nhau. Với sự tiến bộ của công nghệ và mở rộng các khu vực ứng dụng, việc phân loại hiệu suất của sợi carbon cũng đang được tinh chỉnh và cải thiện.
Quy trình sản xuất sợi carbon
Quá trình quay
Sản xuất sợi carbon bắt đầu với quá trình quay, một bước trong đó các vật liệu tiền chất như các polyme hữu cơ như polyacrylonitril (PAN) được chuyển đổi hóa học thành dạng sợi.
Quá trình kéo sợi thường được phân loại là quay ướt, quay khô và quay ướt/khô.
Kéo dài ướt: Trong quay ướt, dung dịch polymer được ép qua các lỗ spinneret vào bể đông máu, trong đó đạt được sự đông máu bằng cách khuếch tán dung môi. Phương pháp này có tốc độ sản xuất thấp và là một quá trình phức tạp, nhưng nó có thể tạo ra các sợi có bề mặt mịn và đồng nhất. Nó đã được nghiên cứu rằng bề mặt của các sợi carbon ướt có các rãnh đáng kể, có thể ảnh hưởng đến các đặc tính composite tiếp theo của chúng.
Kéo dài khô: Trong quay khô, dung dịch polymer được ép ra khỏi spinneret và trực tiếp vào kênh quay, lưu lượng không khí nóng trong kênh làm cho dung môi bay hơi nhanh chóng và chữa khỏi chất lỏng nguyên bản bay hơi. Quay khô có khả năng sản xuất liên tục, tốc độ quay nhanh, sản lượng lớn, ô nhiễm môi trường ít hơn, chất lượng sợi tốt hơn và tính năng kháng hóa chất và thuốc nhuộm.
Kéo dài ướt và khô: Kết hợp các đặc điểm của các phương pháp khô và ướt, kho chứa được ép ra từ spinneret và sau đó đi qua một phần của lớp không khí trước khi vào bể đông máu. Quá trình này có năng suất cao, tạo ra các sợi carbon chất lượng tốt và có chi phí sản xuất thấp. Độ nhớt dung dịch quay khô và ướt lên đến 50 ~ 100 pa - s, có thể cải thiện nồng độ dung dịch gốc quay, giảm sự phục hồi của dung môi và tiêu thụ đơn vị.
Ổn định
Điều trị ổn định là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất sợi carbon, mục đích chính là cải thiện độ ổn định nhiệt của sợi tiền chất, để chuẩn bị cho quá trình cacbon hóa tiếp theo. Trong bước này, các sợi tiền chất được làm nóng đến 200-300 ° C trong không khí để thúc đẩy các phản ứng oxy hóa và sự hình thành cấu trúc hình thang, do đó cải thiện độ ổn định nhiệt của các sợi.
Độ ổn định oxy hóa: Sợi ổn định thể hiện sự ổn định oxy hóa tốt hơn, tạo điều kiện cho việc sử dụng chúng trong điều kiện khắc nghiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các sợi carbon dựa trên PAN ổn định có mức độ chu kỳ giảm, tốc độ phân hủy nhiệt nhanh hơn và năng suất carbon cuối cùng thấp hơn.
Hiệu ứng xử lý nhiệt: Thời gian và nhiệt độ của điều trị ổn định có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của sợi carbon. Nhìn chung, thời gian điều trị ổn định được đo bằng giờ, nhưng thời gian cacbon hóa là một thứ tự ngắn hơn, được đo bằng vài phút. Sợi trải qua điều trị ổn định dẫn đến giảm cân đáng kể và giảm đường kính.
Điều trị bằng cacbon hóa và đồ họa
Các phương pháp điều trị bằng cacbon hóa và đồ họa là các bước xử lý nhiệt cuối cùng trong quá trình sản xuất sợi carbon và cùng nhau xác định các đặc tính cuối cùng của sợi carbon.
Cacbon hóa: Trong quá trình cacbon hóa, dây tóc Pan preoxyed nằm trong bầu không khí trơ và được làm nóng dần từ 400 ° C đến 1600 ° C, đi qua hai vùng carbon hóa nhiệt độ thấp 400-1000 ° C và carbon hóa nhiệt độ cao và cacbon hóa nhiệt độ cao cao 1000-1600 ° C. Dây tóc Pan Pre Oxygenated được làm nóng từ 400 ° C đến 1600 ° C dần dần. Trong nhiệt độ này, các yếu tố không carbon như N, H và O trong dây tóc được chế tạo trước được giải phóng từ sợi để tạo ra các sợi carbon có hàm lượng carbon hơn 90%.
Graphitization: Điều trị graphitization thường được thực hiện ở nhiệt độ cao từ 2.500 đến 3.000 ° C để tạo thành cấu trúc tinh thể than chì ba chiều thông thường từ cấu trúc lamellar hỗn loạn bên trong sợi carbon. Quá trình này có thể làm tăng đáng kể mô đun kéo của sợi carbon, do đó, các sợi carbon graphitized được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ và các công nghệ tiên tiến khác.
Sự tiến hóa của cấu trúc vi mô: Trong quá trình graphitization, cấu trúc vi mô của các sợi carbon trải qua những thay đổi đáng kể, với các vi tinh thể than chì tăng kích thước và khoảng cách lớp giảm dần, tiếp cận khoảng cách lớp lý tưởng của các tinh thể than chì là 0,35 nm. Các tính chất cơ học và nhiệt của sợi carbon.
