Kolfiber - Material svart guld, med höga industribarriärer och högt produktmervärde
1. Kolfiber är styv och flexibel och används ofta i nedströmsapplikationer
Den materiella utvecklingens historia är nära relaterad till den mänskliga utvecklingens historia, och nya material är en kraftfull drivkraft för mänskligheten att flytta från "naturriket" till "friheten". Material definieras vanligtvis som ämnen som används för att göra användbara föremål, och människans förmåga att känna igen och använda material bestämmer direkt den sociala formen och människans levnadsstandard. I samtida har material, energi och information blivit de tre pelarna för social civilisation och nationalekonomi, och bland dem är material den materiella basen och den tekniska ledaren för utvecklingen av vetenskap och teknik.
Genom hela materialutvecklingens historia kan den sammanfattas i sex utvecklingsperioder av stenverktyg/bronsverktyg/järnverktyg/stål/kisel/nya material i termer av tid. Bland dem, med öppnandet av den nya teknikrevolutionen under andra hälften av 1900-talet, har nya material blivit en booster för utvecklingen av olika högteknologiska områden. Till exempel bygger datorteknik på industriell produktion av halvledarmaterial, och flygindustrin kräver ett stort antal högtemperatur- och höghållfasta strukturella material. Det matchas med det, och modern optisk fiberkommunikation bygger på lågförbrukning optisk fiber.
Kolfiber, känd som kungen av nya material på 2000-talet, är en lysande juvel i materialets krona. Kolfiber (CF för kort) är en oorganisk fiber med en kolhalt på mer än 90 procent. Den framställs genom att knäcka och förkolna organiska fibrer (viskosbaserade, beckbaserade, polyakrylnitrilbaserade fibrer, etc.) i en miljö med hög temperatur för att bilda en kolryggradsmekanism. Som en ny generation av förstärkningsfibrer har kolfibrer utmärkta mekaniska och kemiska egenskaper, har inte bara de inneboende egenskaperna hos kolmaterial, utan har också den mjuka bearbetningsförmågan hos textilfibrer, så de används ofta inom flyg, energiutrustning, transport, sporter. Fritid och andra områden:
Låg vikt: Som ett strategiskt nytt material med utmärkta prestanda är densiteten för kolfiber i princip densamma som för magnesium och beryllium, och den är mindre än 1/4 av stålets. Att använda kolfiberkompositmaterial som ett strukturmaterial kan minska strukturmassan med 30 procent -40 procent.
Hög hållfasthet och hög modul: Den specifika styrkan för kolfiber är 5 gånger högre än stål och 4 gånger högre än aluminiumlegering; den specifika modulen är 1.3-12,3 gånger den för andra konstruktionsmaterial.
Liten expansionskoefficient: Den termiska expansionskoefficienten för de flesta kolfibrer är negativ vid rumstemperatur, 0 vid 200-400 grad och endast 1,5 × 10-6 /K när den är mindre än 1000 grader, så det är inte lätt att expandera och deformera på grund av hög arbetstemperatur.
Bra kemisk korrosionsbeständighet: Kolfiber har ett högt innehåll av rent kol och kol är ett av de mest stabila kemiska elementen, vilket gör det mycket stabilt i sura och alkaliska miljöer och kan göras till olika kemiska korrosionsskyddsprodukter.
Stark utmattningsbeständighet: Kolfiberstrukturen är stabil. Enligt statistiken för polymernätverket är kompositmaterialets hållfasthetsretention fortfarande 60 procent efter miljontals cykler av spänningsutmattning, jämfört med 40 procent för stål, 30 procent för aluminium och 30 procent för glasfiberarmerad plast. Sedan bara 20 procent -25 procent .
Kolfiberkompositmaterial är återförstärkta på basis av kolfiber. Även om kolfiber kan användas ensamt och utföra specifika funktioner, är det trots allt ett sprött material. Endast när det kombineras med matrismaterialet för att bilda ett kolfiberkompositmaterial kan det utöva bättre mekaniska egenskaper och bära mer belastning.
Kolfibrer kan klassificeras enligt olika dimensioner såsom prekursortyp, tillverkningsmetod och prestanda:
Beroende på typen av råsilke: baserad på polyakrylnitril (PAN), beckbaserad (isotropisk, mesofas); viskosbaserad (cellulosabaserad, rayonbaserad). Bland dem upptar polyakrylnitril (PAN)-baserad kolfiber den vanliga positionen, med produktionen som står för mer än 90 procent av den totala kolfibern, och viskosbaserad kolfiber är mindre än 1 procent.
Klassificering enligt tillverkningsförhållanden och metoder: kolfiber (800-1600 grad ), grafitfiber (2000-3000 grad ), aktiverad kolfiber, ångodlad kolfiber.
Beroende på de mekaniska egenskaperna kan den delas in i generell typ och högpresterande typ: generell kolfiber har en styrka på 1000MPa och en modul på cirka 100GPa;), där hållfastheten större än 4000MPa också kallas den ultrahöga hållfasthetstypen, och modulen större än 450GPa kallas ultrahögmodellen.
Beroende på dragets storlek kan den delas in i liten släpa och stor släpa: liten dragkolfiber är huvudsakligen 1K, 3K, 6K i det inledande skedet och utvecklas gradvis till 12K och 24K, som huvudsakligen används inom flyg- och rymdindustrin, idrotts- och fritidsfält. Kolfibrer över 48K brukar kallas stora dragkolfibrer, inklusive 48K, 60K, 80K, etc., som främst används inom industriområden.
Draghållfasthet och dragmodul är de två viktigaste indikatorerna för att mäta prestanda hos kolfiber. Baserat på detta offentliggjorde mitt land den "nationella standarden för polyakrylnitril (PAN)-baserad kolfiber (GB/T26752-2011)" 2011. Samtidigt, eftersom Japans Toray har en absolut ledande fördel i den globala kolfiberindustrin, de flesta inhemska tillverkare antar också klassificeringsstandarden för Japans Toray som referens.
2.Höga tekniska barriärer i industrin, råsilkeproduktion är kärnan, karbonisering och oxidation är nyckeln
Kolfiberproduktionsprocessen är komplex och kräver extremt hög utrustning och teknik. Kontrollen av noggrannheten, temperaturen och tiden för varje länk kommer att i hög grad påverka kvaliteten på slutprodukten. Polyakrylnitril kolfiber har blivit kolfibern med det bredaste applikationsområdet och den högsta produktionen i detta skede på grund av dess relativt enkla beredningsprocess, låga produktionskostnad och bekväma bortskaffande av tre avfall. Dess huvudsakliga råvara, propan, kan erhållas från råolja, och industrikedjan för polyakrylnitril kolfiber inkluderar en komplett tillverkningsprocess från primärenergi till slutanvändningstillämpningar.
Efter framställning av propan från råolja kan propan erhållas genom selektiv katalytisk dehydrering (PDH);
Akrylnitril erhålls efter ammoxidation av propen, och polyakrylnitril (PAN) prekursor erhålls efter akrylnitrilpolymerisation och spinning;
Polyakrylnitril är föroxiderad, karboniserad vid låg temperatur och hög temperatur för att erhålla kolfiber, och kan göras till kolfibertyg och kolfiberprepreg för produktion av kolfiberkompositmaterial;
Kolfiber kombineras med harts, keramik och andra material för att bilda kolfiberkompositmaterial, och slutligen erhålls de slutprodukter som krävs av nedströmsapplikationer genom olika formningsprocesser;
Kvaliteten och prestandanivån för prekursorn bestämmer direkt den slutliga prestandan för kolfiber. Därför har förbättring av kvaliteten på spinnlösningen och optimering av de olika faktorerna för prekursorfiberbildningen blivit nyckelnoderna vid framställningen av högkvalitativa kolfibrer.
Enligt "Research on the Production Process of Polyacrylonitrile-Based Carbon Fiber Precursor" omfattar spinningsprocessen huvudsakligen tre kategorier: våtspinning, torrspinning och torr-våtspinning. För närvarande antar produktionsprocessen av polyakrylnitrilprekursorer hemma och utomlands huvudsakligen våtspinning och torr-våtspinning, bland vilka våtspinning är den mest använda.
Vid våtspinning extruderas spinnlösningen först från spinnmunstyckets hål och spinnlösningen kommer in i koaguleringsbadet i form av en fin ström. Spinnmekanismen för polyakrylnitrilspinningslösning är: det finns ett stort gap mellan koncentrationen av DMSO (dimetylsulfoxid) i spinnlösningen och koagulationsbadet, och koncentrationen av vatten i koagulationsbadet och polyakrylnitrillösningen är också enorm. glipa. Under växelverkan mellan ovanstående två koncentrationsskillnader börjar vätskorna diffundera i båda riktningarna och slutligen kondenseras till filament genom processer som massöverföring, värmeöverföring och fasjämviktsrörelse.
Resterande DMSO, finhet, monofilamentstyrka, modul, förlängning, oljehalt och kokande vattenkrympning vid produktion av råsilke blir nyckelfaktorerna som påverkar kvaliteten på råsilke. Om man tar den kvarvarande mängden DMSO som ett exempel, har det en effekt på prekursorns skenbara egenskaper, tvärsnittstillståndet och CV-värdet för den slutliga kolfiberprodukten. Ju lägre restmängd DMSO, desto högre prestanda har produkten. I produktionen avlägsnas DMSO huvudsakligen genom tvättning, så hur man styr tvätttemperaturen, tiden, mängden avsaltat vatten och mängden tvättcirkulation blir en viktig länk.
Högkvalitativa polyakrylnitrilprekursorer bör ha följande egenskaper: hög densitet, hög kristallinitet, lämplig hållfasthet, cirkulärt tvärsnitt, mindre fysiska defekter, och samtidigt ha en slät yta och en enhetlig och tät hudkärnstruktur.
Temperaturkontrollen av förkolning och oxidation är nyckeln. Karbonisering och oxidation är en viktig länk i produktionen av råsilke till slutprodukter av kolfiber. I denna länk måste precisionen och temperaturintervallet kontrolleras noggrant, annars kommer draghållfastheten hos kolfiberprodukter att påverkas avsevärt, och till och med trådbrott kommer att inträffa:
Föroxidation (200-300 grad ): I föroxidationsprocessen, genom att applicera en viss spänning i en oxiderande atmosfär, oxideras PAN-prekursorn långsamt och milt, och ett stort antal ringpackade strukturer bildas på grunden för PAN rak kedja, så att den kan motstå Syftet med högre temperatur bearbetning.
Karbonisering (maximal temperatur inte lägre än 1000 grader): Förkolningsprocessen måste utföras i en inert atmosfär. I det tidiga skedet av karbonisering bryts den raka kedjan av PAN och tvärbindningsreaktionen börjar; när temperaturen gradvis stiger, börjar den termiska nedbrytningsreaktionen, frigör en stor mängd liten molekylär gas, och grafitstrukturen börjar bildas; efter att temperaturen stiger ytterligare ökar kolhalten snabbt och kolfibern börjar bildas.
Grafitisering (bearbetningstemperatur över 2000 grader): Grafitisering är inte en nödvändig process för produktion av kolfiber, utan en valfri länk. Om kolfibern förväntas ha en hög elasticitetsmodul krävs grafitisering; om kolfibern förväntas få hög hållfasthet krävs inte grafitisering. I grafitiseringsprocessen gör den höga temperaturen att en utvecklad grafitnätstruktur bildas inuti fibern, och strukturen normaliseras genom dragning för att erhålla den slutliga produkten.
Höga tekniska barriärer ger nedströmsprodukter ett högt mervärde, och priset på kompositmaterial för flygindustrin är 200 gånger högre än för råsilke. På grund av den höga svårigheten med kolfiberberedning och den komplexa processen, ju mer nedströms dess produkter är, desto högre mervärde, särskilt de avancerade kolfiberkompositmaterial som används inom flyg- och rymdområdet. Eftersom nedströmskunder har mycket stränga krav på tillförlitlighet och stabilitet, är produktpriset också geometriskt höjt jämfört med vanlig kolfiber.
