Karbonfiber - Materiale svart gull, med høye industribarrierer og høy produkttilvekst

1. Karbonfiber er stivt og fleksibelt, og er mye brukt i nedstrømsapplikasjoner

Den materielle utviklingshistorien er nært knyttet til menneskets utviklingshistorie, og nye materialer er en kraftig drivkraft for menneskeheten til å bevege seg fra «naturriket» til «friheten». Materialer er vanligvis definert som stoffer som brukes til å lage nyttige gjenstander, og menneskets evne til å gjenkjenne og bruke materialer bestemmer direkte den sosiale formen og menneskets levestandard. I moderne tid har materialer, energi og informasjon blitt de tre pilarene i sosial sivilisasjon og nasjonal økonomi, og blant dem er materialer det materielle grunnlaget og den teknologiske lederen for utviklingen av vitenskap og teknologi.

Gjennom hele materialutviklingens historie kan det oppsummeres i seks utviklingsperioder av steinverktøy/bronseverktøy/jernverktøy/stål/silisium/nye materialer tidsmessig. Blant dem, med åpningen av den nye teknologirevolusjonen i andre halvdel av det 20. århundre, har nye materialer blitt en booster for utviklingen av ulike høyteknologiske felt. For eksempel er datateknologi avhengig av industriell produksjon av halvledermaterialer, og romfartsindustrien krever et stort antall høytemperatur- og høyfaste strukturelle materialer. Det matches med det, og moderne optisk fiberkommunikasjon er basert på lavforbruks optisk fiber.

Karbonfiber, kjent som kongen av nye materialer i det 21. århundre, er en skinnende juvel i materialets krone. Karbonfiber (CF for kort) er en uorganisk fiber med et karboninnhold på mer enn 90 prosent. Den fremstilles ved å sprekke og karbonisere organiske fibre (viskosebaserte, bekbaserte, polyakrylnitrilbaserte fibre, etc.) i et miljø med høy temperatur for å danne en karbonryggradsmekanisme. Som en ny generasjon av forsterkende fibre har karbonfibre utmerkede mekaniske og kjemiske egenskaper, har ikke bare de iboende egenskapene til karbonmaterialer, men har også den myke bearbeidbarheten til tekstilfibre, så de er mye brukt i romfart, energiutstyr, transport, sport. Fritid og andre felt:

Lett vekt: Som et strategisk nytt materiale med utmerket ytelse, er tettheten til karbonfiber i utgangspunktet den samme som for magnesium og beryllium, og den er mindre enn 1/4 av stålets. Bruk av karbonfiberkomposittmateriale som et strukturelt materiale kan redusere den strukturelle massen med 30 prosent -40 prosent.

Høy styrke og høy modul: Den spesifikke styrken til karbonfiber er 5 ganger høyere enn for stål og 4 ganger høyere enn for aluminiumslegering; den spesifikke modulen er 1.3-12.3 ganger den for andre strukturelle materialer.

Liten ekspansjonskoeffisient: Den termiske ekspansjonskoeffisienten til de fleste karbonfibre er negativ ved romtemperatur, 0 ved 200-400 grad , og bare 1,5 × 10-6 /K når den er mindre enn 1000 grader , så det er ikke lett å utvide og deformere på grunn av høy arbeidstemperatur.

God kjemisk korrosjonsbestandighet: Karbonfiber har et høyt innhold av rent karbon, og karbon er et av de mest stabile kjemiske elementene, noe som gjør det meget stabilt i sure og alkaliske miljøer, og kan lages til ulike kjemiske anti-korrosjonsprodukter.

Sterk tretthetsmotstand: Karbonfiberstrukturen er stabil. I følge statistikken til polymernettverket er styrkeretensjonshastigheten til komposittmaterialet fortsatt 60 prosent etter millioner av sykluser med stresstretthet, sammenlignet med 40 prosent for stål, 30 prosent for aluminium og 30 prosent for glassfiberarmert plast. Da er det bare 20 prosent -25 prosent .

Karbonfiberkomposittmaterialer forsterkes på nytt på basis av karbonfiber. Selv om karbonfiber kan brukes alene og utføre spesifikke funksjoner, er det tross alt et sprøtt materiale. Bare når det kombineres med matrisematerialet for å danne et karbonfiberkomposittmateriale, kan det utøve bedre mekaniske egenskaper og bære mer belastning.

Karbonfibre kan klassifiseres i henhold til forskjellige dimensjoner som forløpertype, produksjonsmetode og ytelse:

Avhengig av typen råsilke: polyakrylnitril (PAN) basert, bekbasert (isotropisk, mesofase); viskosebasert (cellulosebasert, rayonbasert). Blant dem inntar polyakrylnitril (PAN)-basert karbonfiber hovedposisjonen, med produksjonen som utgjør mer enn 90 prosent av den totale karbonfiberen, og viskosebasert karbonfiber er mindre enn 1 prosent.

Klassifisering i henhold til produksjonsforhold og -metoder: karbonfiber (800-1600 grad ), grafittfiber (2000-3000 grad ), aktivert karbonfiber, dampdyrket karbonfiber.

I henhold til de mekaniske egenskapene kan den deles inn i generell type og høyytelsestype: generell karbonfiber har en styrke på 1000MPa og en modul på ca. 100GPa;), der styrken større enn 4000MPa også kalles ultra-høystyrke-typen, og modulen større enn 450GPa kalles ultra-høy-modellen.

I henhold til størrelsen på slepet kan det deles inn i lite slep og stort slep: lite slep karbonfiber er hovedsakelig 1K, 3K, 6K i den innledende fasen, og gradvis utviklet seg til 12K og 24K, som hovedsakelig brukes i romfart, idretts- og fritidsbaner. Karbonfibre over 48K kalles vanligvis store karbonfibre, inkludert 48K, 60K, 80K, etc., som hovedsakelig brukes i industrielle felt.

Strekkstyrke og strekkmodul er de to viktigste indikatorene for å måle ytelsen til karbonfiber. Basert på dette kunngjorde landet mitt "National Standard for Polyacrylonitrile (PAN)-based Carbon Fiber (GB/T26752-2011)" i 2011. Samtidig, fordi Japans Toray har en absolutt ledende fordel i det globale karbonfiberindustrien, de fleste innenlandske produsenter tar også i bruk klassifiseringsstandarden til Japans Toray som referanse.

2.Høye tekniske barrierer i industrien, råsilkeproduksjon er kjernen, karbonisering og oksidasjon er nøkkelen

Produksjonsprosessen for karbonfiber er kompleks og krever ekstremt høyt utstyr og teknologi. Kontrollen av nøyaktigheten, temperaturen og tiden til hver kobling vil i stor grad påvirke kvaliteten på sluttproduktet. Polyakrylnitril karbonfiber har blitt karbonfiberen med det bredeste bruksområdet og den høyeste produksjonen på dette stadiet på grunn av sin relativt enkle forberedelsesprosess, lave produksjonskostnader og praktiske avhending av tre avfall. Hovedråstoffet, propan, kan fås fra råolje, og industrikjeden for polyakrylnitrilkarbonfiber inkluderer en komplett produksjonsprosess fra primærenergi til sluttbruk.

Etter fremstilling av propan fra råolje, kan propan oppnås ved selektiv katalytisk dehydrogenering (PDH);

Akrylnitril oppnås etter ammoksidasjon av propylen, og polyakrylnitril (PAN) forløper oppnås etter akrylonitrilpolymerisasjon og spinning;

Polyakrylnitril er forhåndsoksidert, karbonisert ved lav temperatur og høy temperatur for å oppnå karbonfiber, og kan gjøres til karbonfiberstoff og karbonfiberprepreg for produksjon av karbonfiberkomposittmaterialer;

Karbonfiber kombineres med harpiks, keramikk og andre materialer for å danne karbonfiberkomposittmaterialer, og til slutt oppnås sluttproduktene som kreves av nedstrømsapplikasjoner ved forskjellige støpeprosesser;

Kvaliteten og ytelsesnivået til forløperen bestemmer direkte den endelige ytelsen til karbonfiber. Derfor har forbedring av kvaliteten på spinneløsningen og optimalisering av de ulike faktorene i forløperfiberdannelsen blitt nøkkelnodene i fremstillingen av høykvalitets karbonfibre.

I følge "Research on the Production Process of Polyacrylonitrile-Based Carbon Fiber Precursor" inkluderer spinneprosessen hovedsakelig tre kategorier: våtspinning, tørrspinning og tørr-våtspinning. For tiden vedtar produksjonsprosessen av polyakrylnitril-forløpere i inn- og utland hovedsakelig våtspinning og tørr-våt spinning, blant annet våtspinning er den mest brukte.

Ved våtspinning ekstruderes først spinneløsningen fra spinnedysehullet, og spinneløsningen kommer inn i koagulasjonsbadet i form av en fin strøm. Spinnemekanismen til polyakrylnitrilspinneløsningen er: det er et stort gap mellom konsentrasjonen av DMSO (dimetylsulfoksid) i spinneløsningen og koagulasjonsbadet, og konsentrasjonen av vann i koagulasjonsbadet og polyakrylnitrilløsningen er også enorm. mellomrom. Under samspillet mellom de to konsentrasjonsforskjellene ovenfor, begynner væskene å diffundere i begge retninger, og til slutt kondensere til filamenter gjennom prosesser som masseoverføring, varmeoverføring og faselikevektsbevegelse.

Resterende DMSO, finhet, monofilamentstyrke, modul, forlengelse, oljeinnhold og krymping av kokende vann i produksjonen av råsilke blir nøkkelfaktorene som påvirker kvaliteten på råsilke. Tar den gjenværende mengden DMSO som et eksempel, har det en effekt på de tilsynelatende egenskapene til forløperen, tverrsnittstilstanden og CV-verdien til det endelige karbonfiberproduktet. Jo lavere gjenværende mengde DMSO, desto høyere ytelse har produktet. I produksjonen fjernes DMSO i hovedsak ved vask, så hvordan kontrollere vasketemperatur, tid, mengde avsaltet vann og mengden vaskesirkulasjon blir et viktig ledd.

Høykvalitets polyakrylnitril-forløpere bør ha følgende egenskaper: høy tetthet, høy krystallinitet, passende styrke, sirkulært tverrsnitt, mindre fysiske defekter, og samtidig ha en jevn overflate og en jevn og tett hudkjernestruktur.

Temperaturkontrollen av karbonisering og oksidasjon er nøkkelen. Karbonisering og oksidasjon er et viktig ledd i produksjonen av råsilke til sluttprodukter av karbonfiber. I denne lenken må presisjonen og temperaturområdet kontrolleres nøyaktig, ellers vil strekkstyrken til karbonfiberprodukter bli betydelig påvirket, og til og med ledningsbrudd vil oppstå:

Pre-oksidasjon (200-300 grad ): I pre-oksidasjonsprosessen, ved å påføre en viss spenning i en oksiderende atmosfære, blir PAN-forløperen sakte og mildt oksidert, og et stort antall ringpakkede strukturer dannes på grunnlaget for PAN rett kjede, slik at den kan motstå Formålet med høyere temperatur behandling.

Karbonisering (maksimal temperatur ikke lavere enn 1000 grader): Karboniseringsprosessen må utføres i en inert atmosfære. I det tidlige stadiet av karbonisering brytes den rette kjeden av PAN, og tverrbindingsreaksjonen begynner; når temperaturen gradvis stiger, begynner den termiske nedbrytningsreaksjonen, frigjør en stor mengde liten molekylær gass, og grafittstrukturen begynner å dannes; etter at temperaturen stiger ytterligere, øker karboninnholdet raskt, og karbonfiberen begynner å dannes.

Grafitisering (behandlingstemperatur over 2000 grader): Grafitisering er ikke en nødvendig prosess for produksjon av karbonfiber, men en valgfri kobling. Hvis karbonfiberen forventes å ha en høy elastisitetsmodul, kreves grafitisering; hvis karbonfiberen forventes å oppnå høy styrke, er grafitisering ikke nødvendig. I grafitiseringsprosessen fører den høye temperaturen til at det dannes en utviklet grafittnettstruktur inne i fiberen, og strukturen normaliseres ved å trekke for å oppnå sluttproduktet.

Høye tekniske barrierer gir nedstrømsprodukter høy merverdi, og prisen på komposittmaterialer til luftfart er 200 ganger høyere enn for råsilke. På grunn av den høye vanskeligheten med karbonfiberfremstilling og den komplekse prosessen, jo mer nedstrøms produktene er, desto høyere er merverdien, spesielt de avanserte karbonfiberkomposittmaterialene som brukes i romfartsfeltet. Fordi nedstrømskunder har svært strenge krav til pålitelighet og stabilitet, er produktprisen Den også geometrisk økt sammenlignet med vanlig karbonfiber.