Wszystko o włóknie węglowym

Wiedza o włóknie węglowym jest bardzo ważna dla każdej nowoczesnej osoby. Rozumiejąc technologię produkcji węgla w Rosji, gęstość i inne cechy włókna węglowego, łatwiej będzie zrozumieć zakres jego zastosowania i dokonać właściwego wyboru. Ponadto należy dowiedzieć się wszystkiego o szpachlówce i ogrzewaniu podłogowym z włóknem węglowym, o zagranicznych producentach tego produktu oraz o różnych obszarach zastosowań.

Nazwy włókno węglowe i włókno węglowe, a w wielu źródłach także włókno węglowe, są bardzo popularne. Ale wyobrażenie o rzeczywistych właściwościach tych materiałów i możliwościach ich zastosowania jest dla wielu osób zupełnie inne. Z technicznego punktu widzenia materiał ten składa się z nici o przekroju nie mniejszym niż 5 i nie większym niż 15 mikronów... Prawie cała kompozycja składa się z atomów węgla - stąd nazwa. Same atomy są zgrupowane w wyraźne kryształy, które tworzą równoległe linie.

Taka konstrukcja zapewnia bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie. Włókno węglowe nie jest zupełnie nowym wynalazkiem. Pierwsze próbki podobnego materiału otrzymał i wykorzystał Edison. Później, w połowie XX wieku, włókno węglowe przeżywało renesans – i od tego czasu jego wykorzystanie stale wzrasta.

Najważniejszą cechą włókna węglowego pozostaje jego wyjątkowa odporność na ciepło... Nawet jeśli substancja zostanie podgrzana do 1600 - 2000 stopni, to przy braku tlenu w środowisku jej parametry nie ulegną zmianie. Gęstość tego materiału, podobnie jak zwykła, jest również liniowa (mierzona w tzw. texie). Przy gęstości liniowej 600 tex masa 1 km wstęgi wyniesie 600 g. W wielu przypadkach krytycznie ważny jest również moduł sprężystości materiału lub, jak mówią, moduł Younga.

W przypadku włókien o wysokiej wytrzymałości liczba ta waha się od 200 do 250 GPa. Włókno węglowe wysokomodułowe wykonane na bazie PAN posiada moduł sprężystości ok. 400 GPa. W przypadku roztworów ciekłokrystalicznych ten parametr może wynosić od 400 do 700 GPa. Moduł sprężystości oblicza się na podstawie oszacowania jego wartości, gdy poszczególne kryształy grafitu są rozciągane. Orientację płaszczyzn atomowych ustala się za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej.

Domyślne napięcie powierzchniowe wynosi 0,86 N/m. Podczas przetwarzania materiału w celu uzyskania włókna metalowo-kompozytowego liczba ta wzrasta do 1,0 N / m. Pomiar metodą wznoszenia kapilarnego pomaga określić odpowiedni parametr. Temperatura topnienia włókien opartych na smołach naftowych wynosi 200 stopni. Przędzenie odbywa się w około 250 stopniach; temperatura topnienia innych rodzajów włókien zależy bezpośrednio od ich składu.

Maksymalna szerokość tkanin węglowych zależy od wymagań technologicznych i niuansów. Dla wielu producentów jest to 100 lub 125 cm. Jeśli chodzi o wytrzymałość osiową, będzie ona równa:

• dla wyrobów wysokowytrzymałych na bazie PAN od 3000 do 3500 MPa;
• dla włókien o znacznym wydłużeniu ściśle 4500 MPa;
• do materiałów wysokomodułowych od 2000 do 4500 MPa.

Obliczenia teoretyczne stabilności kryształu pod działaniem siły rozciągającej w kierunku płaszczyzny atomowej sieci dają szacunkową wartość 180 GPa.Oczekiwany praktyczny limit to 100 GPa. Jednak eksperymenty nie potwierdziły jeszcze obecności poziomu ponad 20 GPa. Prawdziwą wytrzymałość włókna węglowego ograniczają jego wady mechaniczne i niuanse procesu produkcyjnego. Wytrzymałość na rozciąganie przekroju o długości 1/10 mm ustalona w badaniach praktycznych wyniesie od 9 do 10 GPa.

Na szczególną uwagę zasługuje włókno węglowe T30. Materiał ten wykorzystywany jest głównie do produkcji prętów. To rozwiązanie wyróżnia się lekkością i doskonałym wyważeniem. Indeks T30 oznacza moduł sprężystości 30 ton.

Włókno węglowe może być wykonane z szerokiej gamy rodzajów polimerów. Tryb przetwarzania określa dwa główne typy takich materiałów - typy karbonizowane i grafityzowane. Istnieje ważne rozróżnienie między włóknem pochodzącym z PAN a różnymi typami skoku. Wysokiej jakości włókna węglowe, zarówno o wysokiej wytrzymałości, jak i wysokim module, mogą mieć różne poziomy twardości i modułu. Zwyczajowo odsyła się je do różnych marek.

Włókna produkowane są w formacie filamentu lub wiązki. Tworzą je od 1000 do 10000 ciągłych włókien. Z tych włókien można również wytworzyć tkanki, jak kable (w tym przypadku liczba włókienek jest jeszcze większa). Surowcem wyjściowym są nie tylko proste włókna, ale także paky ciekłokrystaliczne, a także poliakrylonitryl. Proces produkcyjny polega najpierw na wytworzeniu oryginalnych włókien, a następnie ich podgrzaniu w powietrzu o temperaturze 200 - 300 stopni.

W przypadku PAN proces ten nazywany jest obróbką wstępną lub wzmocnieniem odporności ogniowej. Po takiej procedurze smoła nabiera tak ważnej właściwości, jak niezaprzeczalność. Włókna są częściowo utlenione. Sposób dalszego ogrzewania określa, czy będą one należeć do grupy karbonizowanej czy grafityzowanej. Koniec pracy oznacza nadanie powierzchni niezbędnych właściwości, po czym jest wykończona lub zaklejona.

Utlenianie w powietrzu zwiększa ognioodporność nie tylko w wyniku utleniania. Wkład ten wnosi nie tylko częściowe odwodornienie, ale także sieciowanie międzycząsteczkowe i inne procesy. Dodatkowo zmniejszona jest podatność materiału na topnienie i ulatnianie się atomów węgla. Karbonizacji (w fazie wysokotemperaturowej) towarzyszy zgazowanie i ucieczka wszystkich obcych atomów.

Ich późniejsza karbonizacja odbywa się w środowisku azotu w temperaturze 1000 - 1500 stopni. Optymalny poziom ogrzewania, według wielu technologów, wynosi 1200 - 1400 stopni. Światłowód wysokomodułowy będzie musiał zostać podgrzany do około 2500 stopni. Na wstępnym etapie PAN otrzymuje mikrostrukturę drabiny. Kondensacja na poziomie wewnątrzcząsteczkowym, której towarzyszy pojawienie się policyklicznej substancji aromatycznej, jest „odpowiedzialna” za jej wystąpienie.

Im bardziej wzrośnie temperatura, tym większa będzie struktura typu cyklicznego. Po zakończeniu obróbki cieplnej zgodnie z technologią układ cząsteczek lub fragmentów aromatycznych jest taki, że główne osie będą równoległe do osi włókna. Naprężenie zapobiega spadkowi stopnia orientacji. Specyficzne cechy rozkładu PAN podczas obróbki cieplnej określa stężenie szczepionych monomerów. Każdy rodzaj takich włókien determinuje początkowe warunki przetwarzania.

Smoła naftowa ciekłokrystaliczna musi być przechowywana przez długi czas w temperaturach od 350 do 400 stopni. Ten tryb doprowadzi do kondensacji cząsteczek policyklicznych. Ich masa wzrasta i stopniowo dochodzi do sklejania (z powstawaniem sferolitów). Jeśli ogrzewanie nie ustanie, sferolity rosną, masa cząsteczkowa wzrasta, a wynikiem jest powstanie ciągłej fazy ciekłokrystalicznej. Kryształy są czasami rozpuszczalne w chinolinie, ale zwykle nie rozpuszczają się zarówno w niej, jak iw pirydynie (zależy to od niuansów technologii).

Włókna otrzymane z paku ciekłokrystalicznego o zawartości 55 - 65% ciekłych kryształów płyną plastycznie. Przędzenie odbywa się w temperaturze 350 - 400 stopni. Silnie zorientowaną strukturę tworzy się przez wstępne ogrzewanie w atmosferze powietrza o temperaturze 200 - 350 stopni, a następnie utrzymywanie w atmosferze obojętnej. Włókna marki Thornel P-55 należy podgrzewać do 2000 stopni, im wyższy moduł sprężystości, tym wyższa powinna być temperatura.

Ostatnio prace naukowo-inżynieryjne coraz więcej uwagi poświęcają technologii wykorzystującej uwodornienie. Początkową produkcję włókien często prowadzi się przez uwodornienie mieszaniny paku węglowego i gumy naftalowej. W takim przypadku powinna być obecna tetrahydrochinolina. Temperatura przetwarzania wynosi 380 - 500 stopni. Ciała stałe można usunąć przez filtrację i odwirowanie; następnie smoły są zagęszczane w podwyższonej temperaturze. Do produkcji węgla konieczne jest użycie (w zależności od technologii) dość różnorodnego sprzętu:

• warstwy rozprowadzające próżnię;
• lakierki;
• uprzęże uszczelniające;
• stoły robocze;
• majdan;
• siatka przewodząca;
• folie próżniowe;
• prepregi;
• autoklawy.

Na światowym rynku przodują następujący producenci włókien węglowych:

• Thornell, Fortafil i Celion (Stany Zjednoczone);
• Grafil i Modmore (Anglia);
• Kureha-Lone i Toreika (Japonia);
• Cytec Industries;
• Hekscel;
• Grupa SGL;
• Toray Przemysł;
• Żołtek;
• Mitsubishi Rayon.

Obecnie węgiel jest produkowany w Rosji:

• Czelabińska fabryka materiałów węglowych i kompozytowych;
• Produkcja węgla Bałakowo;
• NPK Chimprominzhiniring;
• Saratowskie przedsiębiorstwo „START”.

Włókno węglowe jest używane do wykonania zbrojenia kompozytowego. Często używa się go również, aby uzyskać:

• tkaniny dwukierunkowe;
• tkaniny designerskie;
• tkanka dwuosiowa i czteroosiowa;
• włóknina;
• taśma jednokierunkowa;
• prepregi;
• wzmocnienie zewnętrzne;
• włókno;
• uprzęże.

Dość poważną innowacją jest teraz ciepła podłoga na podczerwień. W tym przypadku materiał jest używany jako zamiennik tradycyjnego drutu metalowego. Może generować 3 razy więcej ciepła, dodatkowo zużycie energii zmniejsza się o około 50%. Miłośnicy skomplikowanych technik modelowania często korzystają z rurek węglowych uzyskiwanych przez nawijanie. Produkty te są również poszukiwane przez producentów samochodów i innego sprzętu. Włókno węglowe jest często używane na przykład do hamulców ręcznych. Ponadto na podstawie tego materiału uzyskuje się:

• części do modeli samolotów;
• kaptury jednoczęściowe;
• rowery;
• części do tuningu samochodów i motocykli.

Panele z tkaniny węglowej są o 18% sztywniejsze niż aluminium i o 14% sztywniejsze niż stal konstrukcyjna... Tuleje na bazie tego materiału są potrzebne do uzyskania rur i przewodów o zmiennym przekroju, wyrobów spiralnych o różnych profilach. Wykorzystywane są również do produkcji i naprawy kijów golfowych. Warto również zwrócić uwagę na jego zastosowanie. w produkcji szczególnie wytrzymałych etui na smartfony i inne gadżety. Takie produkty mają zazwyczaj charakter premium i mają podwyższone walory dekoracyjne.

W przypadku zdyspergowanego proszku grafitowego potrzebne są:

• podczas odbierania powłok przewodzących prąd elektryczny;
• podczas uwalniania kleju różnych typów;
• podczas wzmacniania form i niektórych innych części.

Szpachlówka z włókna węglowego jest lepsza od tradycyjnej szpachlówki pod wieloma względami. To połączenie jest doceniane przez wielu ekspertów za plastyczność i wytrzymałość mechaniczną. Kompozycja nadaje się do pokrywania głębokich defektów. Pręty lub pręty węglowe są mocne, lekkie i trwałe. Taki materiał jest potrzebny do:

• lotnictwo;
• przemysł rakietowy;
• wypuszczanie sprzętu sportowego.

Przez pirolizę soli kwasów karboksylowych można otrzymać ketony i aldehydy.Doskonałe właściwości termiczne włókna węglowego pozwalają na zastosowanie go w grzejnikach i poduszkach grzewczych. Takie grzejniki:

• ekonomiczny;
• wiarygodny;
• wyróżniają się imponującą wydajnością;
• nie rozprzestrzeniać niebezpiecznego promieniowania;
• stosunkowo kompaktowy;
• doskonale zautomatyzowany;
• obsługiwane bez zbędnych problemów;
• nie rozprzestrzeniaj obcego hałasu.

Kompozyty węglowo-węglowe wykorzystywane są do produkcji:

• wsporniki do tygli;
• części stożkowe do pieców do topienia próżniowego;
• części rurowe dla nich.

Dodatkowe obszary zastosowań obejmują:

• noże domowej roboty;
• używać do zaworu płatkowego w silnikach;
• zastosowanie w budownictwie.

Współcześni budowniczowie od dawna używają tego materiału nie tylko do zewnętrznego wzmocnienia. Potrzebna jest również do wzmacniania kamiennych domów i basenów. Wklejona warstwa zbrojąca przywraca właściwości podpór i belek w mostach. Wykorzystywana jest również przy tworzeniu szamb i oprawy naturalnych, sztucznych zbiorników, przy pracy z kesonem i silosem.

W następnym filmie znajdziesz więcej informacji na temat produkcji włókna węglowego.