A fibra de carbono, conhecida como a rainha dos novos materiais no século 21, é uma pérola brilhante em materiais.A fibra de carbono (CF) é um tipo de fibra inorgânica com mais de 90% de teor de carbono.Fibras orgânicas (fibras à base de viscose, à base de piche, à base de poliacrilonitrila, etc.) são pirolisadas e carbonizadas em alta temperatura para formar a estrutura de carbono.
Como uma nova geração de fibra reforçada, a fibra de carbono possui excelentes propriedades mecânicas e químicas.Não só possui as características inerentes aos materiais de carbono, mas também possui a maciez e processabilidade da fibra têxtil.Portanto, é amplamente utilizado nas áreas aeroespacial, equipamentos de energia, transporte, esportes e lazer
Peso leve: como um novo material estratégico com excelente desempenho, a densidade da fibra de carbono é quase igual à do magnésio e do berílio, menos de 1/4 da do aço.Usar compósito de fibra de carbono como material estrutural pode reduzir o peso estrutural em 30% – 40%.
Alta resistência e alto módulo: a resistência específica da fibra de carbono é 5 vezes maior que a do aço e 4 vezes maior que a da liga de alumínio;O módulo específico é 1,3-12,3 vezes o de outros materiais estruturais.
Coeficiente de expansão pequeno: o coeficiente de expansão térmica da maioria das fibras de carbono é negativo à temperatura ambiente, 0 a 200-400 ℃ e apenas 1,5 a menos de 1000 ℃ × 10-6 / K, não é fácil de expandir e deformar devido ao alto trabalho temperatura.
Boa resistência à corrosão química: a fibra de carbono possui alto teor de carbono puro e o carbono é um dos elementos químicos mais estáveis, resultando em seu desempenho muito estável em ambientes ácidos e alcalinos, que pode ser transformado em todos os tipos de produtos químicos anticorrosivos.
Forte resistência à fadiga: a estrutura da fibra de carbono é estável.De acordo com as estatísticas da rede de polímeros, após milhões de ciclos de teste de fadiga por tensão, a taxa de retenção de resistência do compósito ainda é de 60%, enquanto a do aço é de 40%, do alumínio é de 30% e do plástico reforçado com fibra de vidro é de apenas 20%. % – 25%.
O composto de fibra de carbono é o reforço da fibra de carbono.Embora a fibra de carbono possa ser usada sozinha e desempenhar uma função específica, afinal é um material quebradiço.Somente quando combinado com o material da matriz para formar o compósito de fibra de carbono é que ele pode proporcionar melhor desempenho às suas propriedades mecânicas e suportar mais cargas.
As fibras de carbono podem ser classificadas de acordo com diferentes dimensões, como tipo de precursor, método de fabricação e desempenho.
De acordo com o tipo de precursor: à base de poliacrilonitrila (Pan), à base de piche (isotrópico, mesofásico);Base de viscose (base de celulose, base de rayon).Entre eles, a fibra de carbono à base de poliacrilonitrila (Pan) ocupa a posição dominante, e sua produção representa mais de 90% do total da fibra de carbono, enquanto a fibra de carbono à base de viscose representa menos de 1%.
De acordo com as condições e métodos de fabricação: fibra de carbono (800-1600 ℃), fibra de grafite (2000-3000 ℃), fibra de carbono ativada, fibra de carbono cultivada em vapor.
De acordo com as propriedades mecânicas, pode ser dividido em tipo geral e tipo de alto desempenho: a resistência da fibra de carbono do tipo geral é de cerca de 1000MPa e o módulo é de cerca de 100GPa;O tipo de alto desempenho pode ser dividido em tipo de alta resistência (resistência 2.000mPa, módulo 250gpa) e modelo de alto (módulo 300gpa ou mais), entre os quais a resistência superior a 4000mpa também é chamada de tipo de resistência ultra-alta, e o módulo superior a 450gpa é chamado modelo ultra-alto.
De acordo com o tamanho do reboque, ele pode ser dividido em reboque pequeno e reboque grande: reboque pequeno de fibra de carbono é principalmente 1K, 3K e 6K no estágio inicial, e gradualmente desenvolvido em 12K e 24K, que é usado principalmente na indústria aeroespacial, esportes e campos de lazer.As fibras de carbono acima de 48K são geralmente chamadas de fibras de carbono grandes, incluindo 48K, 60K, 80K, etc., que são usadas principalmente em campos industriais.
A resistência à tração e o módulo de tração são dois índices principais para avaliar as propriedades da fibra de carbono.Com base nisso, a China promulgou o padrão nacional para fibra de carbono baseada em PAN (GB / t26752-2011) em 2011. Ao mesmo tempo, devido à vantagem absoluta de liderança da Toray na indústria global de fibra de carbono, a maioria dos fabricantes nacionais também adota o padrão de classificação da Toray como referência.
1.2 Barreiras elevadas trazem um elevado valor acrescentado.Melhorar o processo e realizar a produção em massa pode reduzir significativamente os custos e aumentar a eficiência
1.2.1 a barreira técnica da indústria é alta, a produção de precursores é o núcleo e a carbonização e oxidação são a chave
O processo produtivo da fibra de carbono é complexo, exigindo equipamentos e tecnologia de ponta.O controle de precisão, temperatura e tempo de cada elo afetará muito a qualidade do produto final.A fibra de carbono de poliacrilonitrila tornou-se a fibra de carbono mais amplamente utilizada e de maior produção atualmente devido ao seu processo de preparação relativamente simples, baixo custo de produção e descarte conveniente de três resíduos.A principal matéria-prima, o propano, pode ser feita a partir do petróleo bruto, e a cadeia da indústria de fibra de carbono PAN inclui um processo completo de fabricação, desde a energia primária até a aplicação terminal.
Após a preparação do propano a partir do petróleo bruto, o propileno foi obtido por desidrogenação catalítica seletiva (PDH) do propano;
A acrilonitrila foi obtida por amoxidação do propileno.O precursor da poliacrilonitrila (Pan) foi obtido por polimerização e fiação da acrilonitrila;
A poliacrilonitrila é pré-oxidada, carbonizada em baixa e alta temperatura para obter fibra de carbono, que pode ser transformada em tecido de fibra de carbono e pré-impregnado de fibra de carbono para a produção de compósitos de fibra de carbono;
A fibra de carbono é combinada com resina, cerâmica e outros materiais para formar compósitos de fibra de carbono.Finalmente, os produtos finais para aplicações a jusante são obtidos por vários processos de moldagem;
A qualidade e o nível de desempenho do precursor determinam diretamente o desempenho final da fibra de carbono.Portanto, melhorar a qualidade da solução de fiação e otimizar os fatores de formação do precursor tornam-se os pontos-chave na preparação de fibra de carbono de alta qualidade.
De acordo com “Pesquisa sobre o processo de produção de precursor de fibra de carbono à base de poliacrilonitrila”, o processo de fiação inclui principalmente três categorias: fiação úmida, fiação a seco e fiação a seco e úmida.Atualmente, a fiação úmida e a fiação úmida a seco são usadas principalmente para produzir precursores de poliacrilonitrila no país e no exterior, entre as quais a fiação úmida é a mais amplamente utilizada.
A fiação úmida primeiro expulsa a solução de fiação do orifício da fieira e a solução de fiação entra no banho de coagulação na forma de um pequeno fluxo.O mecanismo de fiação da solução de fiação de poliacrilonitrila é que existe uma grande lacuna entre a concentração de DMSO na solução de fiação e no banho de coagulação, e também há uma grande lacuna entre a concentração de água no banho de coagulação e na solução de poliacrilonitrila.Sob a interação das duas diferenças de concentração acima, o líquido começa a se difundir em duas direções e finalmente se condensa em filamentos por meio de transferência de massa, transferência de calor, movimento de equilíbrio de fase e outros processos.
Na produção do precursor, a quantidade residual de DMSO, o tamanho da fibra, a resistência do monofilamento, o módulo, o alongamento, o teor de óleo e o encolhimento da água fervente tornam-se os principais fatores que afetam a qualidade do precursor.Tomando como exemplo a quantidade residual de DMSO, ela tem influência nas propriedades aparentes do precursor, no estado da seção transversal e no valor CV do produto final de fibra de carbono.Quanto menor for a quantidade residual de DMSO, maior será o desempenho do produto.Na produção, o DMSO é removido principalmente por lavagem, portanto, como controlar a temperatura de lavagem, o tempo, a quantidade de água dessalinizada e a quantidade do ciclo de lavagem torna-se um elo importante.
O precursor de poliacrilonitrila de alta qualidade deve ter as seguintes características: alta densidade, alta cristalinidade, resistência adequada, seção transversal circular, menos defeitos físicos, superfície lisa e estrutura central de pele uniforme e densa.
O controle da temperatura de carbonização e oxidação é a chave.A carbonização e a oxidação são etapas essenciais na produção de produtos finais de fibra de carbono a partir do precursor.Nesta etapa, a precisão e a faixa de temperatura devem ser controladas com precisão, caso contrário, a resistência à tração dos produtos de fibra de carbono será significativamente afetada e até mesmo levará à quebra do fio.
Pré-oxidação (200-300 ℃): no processo de pré-oxidação, o precursor PAN é lenta e suavemente oxidado pela aplicação de uma certa tensão na atmosfera oxidante, formando um grande número de estruturas em anel com base na cadeia reta pan, de modo a atingir o objetivo de resistir ao tratamento em temperaturas mais altas.
Carbonização (temperatura máxima não inferior a 1000 ℃): o processo de carbonização deve ser realizado em atmosfera inerte.No estágio inicial da carbonização, a cadeia pan se rompe e a reação de reticulação começa;Com o aumento da temperatura, a reação de decomposição térmica começa a liberar um grande número de gases de pequenas moléculas, e a estrutura do grafite começa a se formar;Quando a temperatura aumentou ainda mais, o teor de carbono aumentou rapidamente e a fibra de carbono começou a se formar.
Grafitização (temperatura de tratamento acima de 2.000 ℃): a grafitização não é um processo necessário para a produção de fibra de carbono, mas um processo opcional.Se for esperado um alto módulo de elasticidade da fibra de carbono, será necessária a grafitização;Se for esperada alta resistência da fibra de carbono, a grafitização não é necessária.No processo de grafitização, a alta temperatura faz com que a fibra forme uma estrutura de malha de grafite desenvolvida, e a estrutura é integrada por desenho para obter o produto final.
As elevadas barreiras técnicas conferem aos produtos a jusante um elevado valor acrescentado e o preço dos compósitos para aviação é 200 vezes superior ao da seda crua.Devido à grande dificuldade de preparação da fibra de carbono e ao processo complexo, quanto mais a jusante os produtos, maior o valor agregado.Especialmente para os compósitos de fibra de carbono de alta qualidade utilizados no campo aeroespacial, porque os clientes a jusante têm requisitos muito rigorosos quanto à sua confiabilidade e estabilidade, o preço do produto também mostra um crescimento geométrico múltiplo em comparação com a fibra de carbono comum.
Horário da postagem: 22 de julho de 2021