Всичко за въглеродните влакна

Познаването на всичко за въглеродните влакна е много важно за всеки съвременен човек. Разбирайки технологията за производство на въглерод в Русия, плътността и други характеристики на въглеродните влакна, ще бъде по-лесно да разберете обхвата на неговото приложение и да направите правилния избор. Освен това трябва да разберете всичко за шпакловка и подово отопление с въглеродни влакна, за чуждестранни производители на този продукт и за различни области на приложение.

Имената въглеродни влакна и въглеродни влакна, а в редица източници и въглеродни влакна, са много често срещани. Но идеята за действителните характеристики на тези материали и възможностите за тяхното използване е доста различна за много хора. От техническа гледна точка, този материал е сглобен от нишки с напречно сечение най-малко 5 и не повече от 15 микрона... Почти целият състав е изграден от въглеродни атоми - оттук и името. Самите тези атоми са групирани в хрупкави кристали, които образуват успоредни линии.

Този дизайн осигурява много висока якост на опън. Въглеродните влакна не са съвсем ново изобретение. Първите образци от подобен материал са получени и използвани от Едисън. По-късно, в средата на двадесети век, въглеродните влакна преживяват ренесанс - и оттогава употребата им непрекъснато се увеличава.

Най-важната от характеристиките на въглеродните влакна остават нейните изключителна устойчивост на топлина... Дори ако веществото се нагрее до 1600 - 2000 градуса, тогава при липса на кислород в околната среда неговите параметри няма да се променят. Плътността на този материал, наред с обичайната, също е линейна (измерена в т.нар. tex). При линейна плътност от 600 tex, масата на 1 км платно ще бъде 600 г. В много случаи модулът на еластичност на материала или, както се казва, модулът на Йънг, също е критично важен.

За влакна с висока якост тази цифра варира от 200 до 250 GPa. Високомодулното въглеродно влакно, изработено на базата на PAN, има модул на еластичност от приблизително 400 GPa. За разтвори с течни кристали този параметър може да варира от 400 до 700 GPa. Модулът на еластичност се изчислява въз основа на оценката на неговата стойност при разтягане на отделни графитни кристали. Ориентацията на атомните равнини се установява с помощта на рентгенов дифракционен анализ.

По подразбиране повърхностното напрежение е 0,86 N / m. При обработката на материала за получаване на метално-композитно влакно тази цифра се повишава до 1,0 N / m. Измерването по метода на капилярния асцент помага да се определи съответният параметър. Температурата на топене на влакната на базата на петролни смоли е 200 градуса. Въртенето става при около 250 градуса; точката на топене на други видове влакна директно зависи от техния състав.

Максималната ширина на въглеродните платове зависи от технологичните изисквания и нюанси. За много производители е 100 или 125 см. Що се отнася до аксиалната якост, тя ще бъде равна на:

• за продукти с висока якост на базата на PAN от 3000 до 3500 MPa;
• за влакна със значително удължение, строго 4500 MPa;
• за високомодулен материал от 2000 до 4500 MPa.

Теоретичните изчисления на стабилността на кристала под сила на опън към атомната равнина на решетката дават приблизителна стойност от 180 GPa.Очакваната практическа граница е 100 GPa. Експериментите обаче все още не са потвърдили наличието на ниво от повече от 20 GPa. Истинската здравина на въглеродните влакна е ограничена от неговите механични дефекти и нюансите на производствения процес. Установената при практически изследвания якост на опън на участък с дължина 1/10 mm ще бъде от 9 до 10 GPa.

Въглеродните влакна T30 заслужават специално внимание. Този материал се използва главно при производството на пръти. Това решение се отличава със своята лекота и отличен баланс. Индексът T30 означава модул на еластичност от 30 тона.

Въглеродните влакна могат да бъдат направени от голямо разнообразие от видове полимери. Режимът на обработка определя два основни типа такива материали - карбонизирани и графитизирани видове. Съществува важна разлика между влакното, получено от PAN, и различните типове стъпка. Качествените въглеродни влакна, както с висока якост, така и с висок модул, могат да имат различни нива на твърдост и модул. Обичайно е да се отнасят към различни марки.

Влакната се произвеждат във формат на нишки или снопове. Те се образуват от 1000 до 10 000 непрекъснати нишки. От тези влакна могат да бъдат направени и тъкани, като кълчища (в този случай броят на нишките е още по-голям). Изходната суровина са не само прости влакна, но и течни кристали, както и полиакрилонитрил. Производственият процес предполага първо производството на оригиналните влакна, а след това те се нагряват на въздух при 200 - 300 градуса.

В случай на PAN този процес се нарича предварителна обработка или повишаване на огнеустойчивостта. След такава процедура смола получава такова важно свойство като нетопимост. Влакната са частично окислени. Режимът на по-нататъшно нагряване определя дали те ще принадлежат към карбонизирана или графитизирана група. Краят на работата предполага придаване на повърхността на необходимите свойства, след което тя се завършва или оразмерява.

Окислението във въздуха повишава огнеустойчивостта не само в резултат на окисляване. Приносът се прави не само от частичното дехидрогениране, но и от междумолекулното омрежване и други процеси. Освен това чувствителността на материала към топене и изпаряване на въглеродните атоми е намалена. Карбонизацията (във високотемпературната фаза) е придружена от газификация и изпускане на всички чужди атоми.

Следващата им карбонизация се извършва в азотна среда при 1000 - 1500 градуса. Оптималното ниво на отопление, според редица технолози, е 1200 - 1400 градуса. Влакното с висок модул ще трябва да се нагрее до около 2500 градуса. На предварителния етап PAN получава стълбищна микроструктура. Кондензацията на вътремолекулно ниво, придружена от появата на полициклично ароматно вещество, е "отговорна" за възникването му.

Колкото повече се повишава температурата, толкова по-голяма ще бъде структурата на цикличния тип. След края на термичната обработка съгласно технологията, подреждането на молекулите или ароматните фрагменти е такова, че основните оси ще бъдат успоредни на оста на влакното. Напрежението предотвратява падането на степента на ориентация. Специфичните особености на разлагането на PAN при топлинна обработка се определят от концентрацията на присадените мономери. Всеки вид такива влакна определя първоначалните условия на обработка.

Течнокристалната петролна смола трябва да се съхранява при температури от 350 до 400 градуса за дълго време. Този режим ще доведе до кондензация на полициклични молекули. Тяхната маса се увеличава и постепенно настъпва адхезия (с образуване на сферолити). Ако нагряването не спре, сферолитите растат, молекулното тегло се увеличава и резултатът е образуването на непрекъсната течнокристална фаза. Кристалите понякога са разтворими в хинолин, но обикновено не се разтварят както в него, така и в пиридин (това зависи от нюансите на технологията).

Влакната, получени от смола на течни кристали с 55 - 65% течни кристали, текат пластично. Завъртането се извършва при 350 - 400 градуса. Силно ориентирана структура се образува чрез първоначално нагряване във въздушна атмосфера при 200 - 350 градуса и последващо задържане в инертна атмосфера. Влакната от марката Thornel P-55 трябва да се нагреят до 2000 градуса, колкото по-висок е модулът на еластичност, толкова по-висока трябва да бъде температурата.

Напоследък научните и инженерните разработки обръщат все повече внимание на технологията, използваща хидрогениране. Първоначалното производство на влакна често се постига чрез хидрогениране на смес от каменовъглен катран и нафталова смола. В този случай трябва да присъства тетрахидрохинолин. Температурата на обработка е 380 - 500 градуса. Твърдите вещества могат да бъдат отстранени чрез филтриране и центрофуга; след това смола се сгъстяват при повишена температура. За производството на въглерод е необходимо да се използва (в зависимост от технологията) доста разнообразно оборудване:

• слоеве, които разпределят вакуума;
• помпи;
• уплътнителни колани;
• работни маси;
• капани;
• проводяща мрежа;
• вакуумни филми;
• препреги;
• автоклави.

Следните производители на въглеродни влакна са водещи на световния пазар:

• Thornell, Fortafil и Celion (САЩ);
• Grafil и Modmore (Англия);
• Куреха-Лон и Торейка (Япония);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Золтек;
• Mitsubishi Rayon.

Днес въглеродът се произвежда в Русия:

• Челябински завод за въглеродни и композитни материали;
• Балаковско въглеродно производство;
• НПК Химпроминжиниринг;
• Саратовско предприятие "СТАРТ".

Въглеродните влакна се използват за направата на композитна армировка. Също така е обичайно да се използва, за да получите:

• двупосочни тъкани;
• дизайнерски тъкани;
• двуосна и квадроаксиална тъкан;
• нетъкан текстил;
• еднопосочна лента;
• препреги;
• външна армировка;
• фибри;
• хамути.

Доста сериозна иновация сега е инфрачервен топъл под. В този случай материалът се използва като заместител на традиционната метална тел. Може да генерира 3 пъти повече топлина, освен това консумацията на енергия се намалява с около 50%. Любителите на сложни техники за моделиране често използват въглеродни тръби, получени чрез навиване. Тези продукти са търсени и от производителите на автомобили и друго оборудване. Въглеродните влакна често се използват за ръчни спирачки, например. Също така, въз основа на този материал, вземете:

• части за самолетни модели;
• качулки от една част;
• велосипеди;
• части за тунинг на автомобили и мотоциклети.

Панелите от въглеродна тъкан са с 18% по-твърди от алуминия и с 14% повече от структурната стомана... Втулки на базата на този материал са необходими за получаване на тръби и тръби с променливо напречно сечение, спирални продукти от различни профили. Използват се и за производство и ремонт на стикове за голф. Също така си струва да се отбележи използването му. в производството на особено издръжливи калъфи за смартфони и други джаджи. Такива продукти обикновено са с първокласен характер и имат подобрени декоративни качества.

Що се отнася до праха от дисперсен графитен тип, той е необходим:

• при получаване на електропроводими покрития;
• при освобождаване на лепило от различни видове;
• при подсилване на калъпи и някои други части.

Замазката от въглеродни влакна е по-добра от традиционната замазка по редица начини. Тази комбинация е оценена от много експерти заради своята пластичност и механична якост. Съставът е подходящ за покриване на дълбоки дефекти. Въглеродните пръчки или пръчки са здрави, леки и дълготрайни. Такъв материал е необходим за:

• авиация;
• ракетната индустрия;
• освобождаване на спортно оборудване.

Чрез пиролиза на соли на карбоксилната киселина могат да се получат кетони и алдехиди.Отличните термични свойства на въглеродните влакна го позволяват да се използва в нагреватели и нагревателни подложки. Такива нагреватели:

• икономичен;
• надежден;
• се отличават с впечатляваща ефективност;
• не разпространявайте опасна радиация;
• сравнително компактен;
• перфектно автоматизиран;
• работи без ненужни проблеми;
• не разпространявайте външен шум.

Въглерод-въглеродните композити се използват в производството на:

• Подпори за тигели;
• Конусни части за вакуумни топилни пещи;
• тръбни части за тях.

Допълнителните области на приложение включват:

• домашни ножове;
• използване за венчелистче клапан на двигатели;
• използване в строителството.

Съвременните строители отдавна използват този материал не само за външна армировка. Необходим е и за укрепване на каменни къщи и басейни. Залепеният армировъчен слой възстановява качествата на подпорите и греди в мостове. Използва се и при създаване на септични ями и рамкиране на естествени, изкуствени резервоари, при работа с кесон и силозна яма.

В следващото видео ще намерите повече информация за производството на въглеродни влакна.