تجزیه و تحلیل عمیق صنعت فیبر کربن: رشد بالا، فضای وسیع مواد جدید و مسیر با کیفیت بالا

فیبر کربن که به عنوان پادشاه مواد جدید در قرن بیست و یکم شناخته می شود، مروارید درخشانی در مواد است.فیبر کربن (CF) نوعی الیاف معدنی با بیش از 90 درصد کربن است.الیاف آلی (بر پایه ویسکوز، الیاف پایه زمین، الیاف مبتنی بر پلی اکریلونیتریل و غیره) در دمای بالا پیرولیز و کربن می شوند تا ستون فقرات کربن را تشکیل دهند.

فیبر کربن به عنوان نسل جدیدی از الیاف تقویت شده دارای خواص مکانیکی و شیمیایی عالی است.این نه تنها دارای ویژگی های ذاتی مواد کربنی است، بلکه دارای نرمی و پردازش پذیری الیاف نساجی است.بنابراین، به طور گسترده ای در هوافضا، تجهیزات انرژی، حمل و نقل، ورزش و زمینه های اوقات فراغت استفاده می شود

وزن سبک: به عنوان یک ماده استراتژیک جدید با عملکرد عالی، چگالی فیبر کربن تقریباً مشابه منیزیم و بریلیم است، کمتر از 1/4 چگالی فولاد.استفاده از کامپوزیت فیبر کربن به عنوان ماده ساختاری می تواند وزن سازه را بین 30 تا 40 درصد کاهش دهد.

استحکام بالا و مدول بالا: استحکام ویژه فیبر کربن 5 برابر بیشتر از فولاد و 4 برابر بیشتر از آلیاژ آلومینیوم است.مدول اختصاصی 1.3-12.3 برابر سایر مصالح ساختاری است.

ضریب انبساط کوچک: ضریب انبساط حرارتی اکثر الیاف کربن در دمای اتاق منفی است، 0 در 200-400 ℃، و تنها 1.5 در کمتر از 1000 ℃ × 10-6 / K، منبسط و تغییر شکل به دلیل کار زیاد آسان نیست. درجه حرارت.

مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی خوب: فیبر کربن دارای محتوای کربن خالص بالایی است و کربن یکی از پایدارترین عناصر شیمیایی است که در نتیجه عملکرد بسیار پایدار آن در محیط اسیدی و قلیایی است که می تواند به انواع محصولات شیمیایی ضد خوردگی تبدیل شود.

مقاومت در برابر خستگی قوی: ساختار فیبر کربن پایدار است.طبق آمار شبکه پلیمری، پس از میلیون ها چرخه تست خستگی تنش، میزان حفظ استحکام کامپوزیت هنوز 60٪ است، در حالی که فولاد 40٪، آلومینیوم 30٪ و پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه تنها 20٪ است. ٪ - 25٪.

کامپوزیت فیبر کربن تقویت مجدد فیبر کربن است.اگرچه فیبر کربن را می توان به تنهایی استفاده کرد و عملکرد خاصی را ایفا کرد، اما در نهایت یک ماده شکننده است.تنها زمانی که با مواد ماتریس ترکیب شود تا کامپوزیت فیبر کربنی تشکیل شود، می‌تواند به خواص مکانیکی خود بازی بهتری بدهد و بارهای بیشتری را حمل کند.

الیاف کربن را می توان بر اساس ابعاد مختلف از جمله نوع پیش ساز، روش ساخت و عملکرد طبقه بندی کرد.

با توجه به نوع پیش ساز: پلی اکریلونیتریل (Pan) مبتنی بر زمین (ایزوتروپیک، مزوفاز)؛پایه ویسکوز (پایه سلولزی، پایه ابریشم مصنوعی).در میان آنها، فیبر کربن مبتنی بر پلی اکریلونیتریل (Pan) موقعیت اصلی را اشغال می کند و خروجی آن بیش از 90٪ از کل فیبر کربن را تشکیل می دهد، در حالی که فیبر کربن مبتنی بر ویسکوز کمتر از 1٪ را تشکیل می دهد.

با توجه به شرایط و روش های ساخت: فیبر کربن (800-1600 ℃)، الیاف گرافیت (2000-3000 ℃)، فیبر کربن فعال، فیبر کربن رشد شده با بخار.

با توجه به خواص مکانیکی، می توان آن را به نوع عمومی و نوع با عملکرد بالا تقسیم کرد: استحکام فیبر کربن نوع عمومی حدود 1000 مگاپاسکال است و مدول آن حدود 100 گیگا پاسکال است.نوع عملکرد بالا را می توان به دو نوع استحکام بالا (مقاومت 2000 میلی پاسکال، مدول 250 گرم در پاس) و مدل بالا (مدول 300 گیگا پاسکال یا بیشتر) تقسیم کرد که در این میان استحکام بیشتر از 4000 مگاپاسکال نیز نوع بسیار با استحکام نامیده می شود و مدول بیشتر از 450 گیگا پاسکال نیز نامیده می شود. مدل فوق العاده بالا نامیده می شود.

با توجه به اندازه یدک کش، می توان آن را به یدک کش کوچک و بکسل بزرگ تقسیم کرد: فیبر کربن یدک کش کوچک در مرحله اولیه عمدتاً 1K، 3K و 6K است و به تدریج به 12K و 24K تبدیل می شود که عمدتاً در هوافضا، ورزش استفاده می شود. و زمینه های تفریحیالیاف کربن بالای 48K را معمولا فیبرهای کربن یدک کش بزرگ می نامند که شامل 48K، 60K، 80K و غیره می شود که عمدتا در زمینه های صنعتی استفاده می شود.

استحکام کششی و مدول کششی دو شاخص اصلی برای ارزیابی خواص فیبر کربن هستند.بر این اساس، چین استاندارد ملی فیبر کربن مبتنی بر PAN (GB / t26752-2011) را در سال 2011 اعلام کرد. در همان زمان، به دلیل برتری مطلق Toray در صنعت جهانی فیبر کربن، اکثر تولید کنندگان داخلی نیز استاندارد طبقه بندی Toray را اتخاذ می کنند. به عنوان مرجع

1.2 موانع بالا ارزش افزوده بالایی را به همراه دارد.بهبود فرآیند و تحقق تولید انبوه می تواند به طور قابل توجهی هزینه را کاهش دهد و کارایی را افزایش دهد

1.2.1 مانع فنی صنعت زیاد است، تولید پیش ساز هسته است و کربنیزاسیون و اکسیداسیون کلید اصلی است.

فرآیند تولید فیبر کربن پیچیده است که نیاز به تجهیزات و فناوری بالایی دارد.کنترل دقت، دما و زمان هر لینک به شدت بر کیفیت محصول نهایی تاثیر می گذارد.فیبر کربن پلی اکریلونیتریل به دلیل فرآیند آماده سازی نسبتاً ساده، هزینه تولید پایین و دفع راحت سه ضایعات، به پرمصرف ترین و بالاترین خروجی فیبر کربن در حال حاضر تبدیل شده است.پروپان ماده خام اصلی را می توان از نفت خام تهیه کرد و زنجیره صنعت فیبر کربن PAN شامل یک فرآیند کامل تولید از انرژی اولیه تا کاربرد پایانی است.

پس از تهیه پروپان از نفت خام، پروپیلن با هیدروژن زدایی کاتالیزوری انتخابی (PDH) پروپان به دست آمد.

آکریلونیتریل با آموکسیداسیون پروپیلن به دست آمد.پیش ساز پلی اکریلونیتریل (Pan) با پلیمریزاسیون و ریسندگی آکریلونیتریل به دست آمد.

پلی اکریلونیتریل از قبل اکسید می شود، در دمای پایین و بالا کربن می شود تا فیبر کربن به دست آید، که می تواند به پارچه فیبر کربنی و پیش آماده سازی فیبر کربن برای تولید کامپوزیت های فیبر کربن تبدیل شود.

فیبر کربن با رزین، سرامیک و مواد دیگر ترکیب می شود تا کامپوزیت های فیبر کربن را تشکیل دهد.در نهایت، محصولات نهایی برای کاربردهای پایین دستی با فرآیندهای قالب گیری مختلف به دست می آیند.

کیفیت و سطح عملکرد پیش ساز به طور مستقیم عملکرد نهایی فیبر کربن را تعیین می کند.بنابراین، بهبود کیفیت محلول ریسندگی و بهینه سازی عوامل تشکیل پیش ساز از نکات کلیدی تهیه الیاف کربن با کیفیت بالا می باشد.

بر اساس "تحقیق در فرآیند تولید پیش ساز الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل"، فرآیند ریسندگی عمدتاً شامل سه دسته است: ریسندگی مرطوب، ریسندگی خشک و ریسندگی مرطوب خشک.در حال حاضر، ریسندگی مرطوب و ریسندگی مرطوب خشک عمدتاً برای تولید پیش ساز پلی اکریلونیتریل در داخل و خارج از کشور استفاده می شود که در میان آنها ریسندگی مرطوب بیشترین کاربرد را دارد.

ریسندگی مرطوب ابتدا محلول ریسندگی را از سوراخ اسپینر خارج می کند و محلول ریسندگی به شکل جریان کوچک وارد حمام انعقادی می شود.مکانیسم ریسندگی محلول ریسندگی پلی اکریلونیتریل به این صورت است که بین غلظت DMSO در محلول ریسندگی و حمام انعقادی فاصله زیادی وجود دارد و همچنین فاصله زیادی بین غلظت آب در حمام انعقادی و محلول پلی اکریلونیتریل وجود دارد.تحت اثر متقابل دو اختلاف غلظت فوق، مایع در دو جهت شروع به انتشار می کند و در نهایت از طریق انتقال جرم، انتقال حرارت، حرکت تعادل فاز و سایر فرآیندها به رشته هایی متراکم می شود.

در تولید پیش ساز، مقدار باقیمانده DMSO، اندازه الیاف، استحکام تک رشته، مدول، ازدیاد طول، محتوای روغن و انقباض آب در حال جوش به عوامل کلیدی موثر بر کیفیت پیش ساز تبدیل می شوند.با در نظر گرفتن مقدار باقیمانده DMSO به عنوان مثال، بر خواص ظاهری پیش ساز، حالت مقطع و ارزش CV محصول نهایی فیبر کربن تأثیر می گذارد.هر چه مقدار باقیمانده DMSO کمتر باشد، عملکرد محصول بالاتر است.در تولید، DMSO عمدتاً با شستشو حذف می شود، بنابراین نحوه کنترل دمای شستشو، زمان، میزان آب نمک زدایی و مقدار چرخه شستشو به یک پیوند مهم تبدیل می شود.

پیش ساز پلی اکریلونیتریل با کیفیت بالا باید دارای ویژگی های زیر باشد: چگالی بالا، بلورینگی بالا، استحکام مناسب، سطح مقطع دایره ای، نقص فیزیکی کمتر، سطح صاف و ساختار هسته پوستی یکنواخت و متراکم.

کنترل دمای کربنیزاسیون و اکسیداسیون کلید اصلی است.کربنیزاسیون و اکسیداسیون یک مرحله ضروری در تولید محصولات نهایی فیبر کربن از پیش ساز است.در این مرحله باید دقت و دامنه دما به طور دقیق کنترل شود، در غیر این صورت استحکام کششی محصولات فیبر کربن به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار می گیرد و حتی منجر به شکستگی سیم می شود.

پیش اکسیداسیون (200-300 ℃): در فرآیند پیش اکسیداسیون، پیش ساز PAN با اعمال کشش خاصی در اتمسفر اکسید کننده به آهستگی و ملایم اکسید می شود و تعداد زیادی ساختار حلقه بر اساس زنجیره مستقیم تشت تشکیل می شود، به طوری که رسیدن به هدف تحمل دمای بالاتر.

کربنیزاسیون (حداکثر دمای کمتر از 1000 ℃): فرآیند کربنیزاسیون باید در اتمسفر بی اثر انجام شود.در مرحله اولیه کربنیزاسیون، زنجیره تشت می شکند و واکنش اتصال عرضی آغاز می شود.با افزایش دما، واکنش تجزیه حرارتی شروع به آزاد کردن تعداد زیادی گاز مولکولی کوچک می کند و ساختار گرافیت شروع به تشکیل می کند.هنگامی که دما بیشتر شد، محتوای کربن به سرعت افزایش یافت و فیبر کربن شروع به تشکیل شد.

گرافیت سازی (دمای عملیات بالای 2000 ℃): گرافیت سازی یک فرآیند ضروری برای تولید فیبر کربن نیست، بلکه یک فرآیند اختیاری است.اگر مدول الاستیک بالای فیبر کربن مورد انتظار باشد، گرافیت سازی مورد نیاز است.اگر استحکام بالایی از فیبر کربن انتظار می رود، گرافیت سازی ضروری نیست.در فرآیند گرافیتی‌سازی، دمای بالا باعث می‌شود فیبر یک ساختار شبکه‌ای گرافیتی توسعه‌یافته را تشکیل دهد و ساختار با کشیدن برای بدست آوردن محصول نهایی یکپارچه می‌شود.

موانع فنی بالا ارزش افزوده بالایی به محصولات پایین دستی می بخشد و قیمت کامپوزیت های هوانوردی 200 برابر بیشتر از ابریشم خام است.با توجه به دشواری بالای تهیه فیبر کربن و فرآیند پیچیده، هر چه محصولات پایین دستی بیشتری داشته باشند، ارزش افزوده بالاتری دارند.به خصوص برای کامپوزیت های فیبر کربنی پیشرفته که در زمینه هوافضا استفاده می شود، زیرا مشتریان پایین دستی الزامات بسیار سختی در مورد قابلیت اطمینان و پایداری آن دارند، قیمت محصول نیز رشد چندگانه هندسی را در مقایسه با فیبر کربن معمولی نشان می دهد.