Süsinikkiud – materjal must kuld, kõrgete tööstusbarjääride ja kõrge toote lisandväärtusega

1. Süsinikkiud on jäik ja paindlik ning seda kasutatakse laialdaselt järgnevates rakendustes

Materiaalse arengu ajalugu on tihedalt seotud inimkonna arengu ajalooga ning uued materjalid on võimas liikumapanev jõud, et inimkond liiguks "loodusriigist" "vabadusse". Materjalid on tavaliselt määratletud kui ained, mida kasutatakse kasulike esemete valmistamiseks ning inimese võime materjale ära tunda ja kasutada määrab otseselt sotsiaalse vormi ja inimeste elatustaseme. Tänapäeval on materjalid, energia ja informatsioon kujunenud sotsiaalse tsivilisatsiooni ja rahvamajanduse kolmeks tugisambaks ning nende hulgas on materjalid teaduse ja tehnoloogia arengu materiaalne alus ja tehnoloogiline liider.

Kogu materjaliarenduse ajaloo jooksul võib selle ajaliselt kokku võtta kuueks kivitööriistade/pronkstööriistade/raudtööriistade/terase/räni/uute materjalide arendusperioodiks. Nende hulgas on 20. sajandi teisel poolel uue tehnoloogia revolutsiooni avanemisega uutest materjalidest saanud tõukejõud erinevate kõrgtehnoloogiliste valdkondade arengule. Näiteks arvutitehnoloogia toetub pooljuhtmaterjalide tööstuslikule tootmisele ning kosmosetööstus nõuab suurt hulka kõrge temperatuuriga ja ülitugevaid konstruktsioonimaterjale. See on sellega sobitatud ja kaasaegne kiudoptiline side põhineb vähese tarbimisega optilisel kiul.

21. sajandil uute materjalide kuningana tuntud süsinikkiud on materjali kroonis särav ehe. Süsinikkiud (lühidalt CF) on anorgaaniline kiud, mille süsinikusisaldus on üle 90 protsendi. Seda valmistatakse orgaaniliste kiudude (viskoosipõhised, pigipõhised, polüakrüülnitriilipõhised kiud jne) krakkimisel ja karboniseerimisel kõrge temperatuuriga keskkonnas, et moodustada süsiniku põhimehhanism. Uue põlvkonna tugevduskiududena on süsinikkiududel suurepärased mehaanilised ja keemilised omadused, mitte ainult süsinikmaterjalidele omased omadused, vaid ka tekstiilkiudude pehme töödeldavus, mistõttu kasutatakse neid laialdaselt lennunduses, energiaseadmetes, transpordis, sport. Vaba aeg ja muud valdkonnad:

Kerge kaal: Strateegilise uue materjalina, millel on suurepärane jõudlus, on süsinikkiu tihedus põhimõtteliselt sama kui magneesiumil ja berülliumil ning väiksem kui 1/4 terasest. Süsinikkiust komposiitmaterjali kasutamine konstruktsioonimaterjalina võib vähendada konstruktsioonimassi 30 protsenti -40 protsenti.

Kõrge tugevus ja kõrge moodul: süsinikkiu eritugevus on 5 korda kõrgem kui terasel ja 4 korda kõrgem kui alumiiniumisulamil; erimoodul on 1.3-12.3 korda suurem kui teistel konstruktsioonimaterjalidel.

Väike paisumistegur: enamiku süsinikkiudude soojuspaisumistegur on toatemperatuuril negatiivne, 0 temperatuuril 200-400 kraadi ja ainult 1,5 × 10-6 /K, kui see on alla 1000 kraadi, seega ei ole seda kõrge töötemperatuuri tõttu lihtne paisuda ja deformeerida.

Hea keemiline korrosioonikindlus: süsinikkiul on kõrge puhta süsiniku sisaldus ja süsinik on üks stabiilsemaid keemilisi elemente, mis muudab selle happelises ja leelises keskkonnas väga stabiilseks ning sellest saab valmistada mitmesuguseid keemilisi korrosioonivastaseid tooteid.

Tugev väsimuskindlus: süsinikkiust struktuur on stabiilne. Polümeervõrgu statistika kohaselt on komposiitmaterjali tugevuse säilivus pärast miljoneid pingeväsimise tsükleid endiselt 60 protsenti, terase puhul 40 protsenti, alumiiniumi puhul 30 protsenti ja klaaskiuga tugevdatud plasti puhul 30 protsenti. Siis ainult 20 protsenti -25 protsenti .

Süsinikkiust komposiitmaterjalid taastugevdatakse süsinikkiu baasil. Kuigi süsinikkiudu saab kasutada üksi ja see täidab teatud funktsioone, on see siiski habras materjal. Ainult siis, kui see kombineeritakse maatriksmaterjaliga süsinikkiust komposiitmaterjaliks, võib see avaldada paremaid mehaanilisi omadusi ja kanda rohkem koormust.

Süsinikkiude saab klassifitseerida erinevate mõõtmete järgi, nagu lähteaine tüüp, tootmismeetod ja jõudlus:

Vastavalt toorsiidi tüübile: polüakrüülnitriilil (PAN) põhinev, pigipõhine (isotroopne, mesofaas); viskoosil põhinev (tselluloosipõhine, viskoosil põhinev). Nende hulgas on polüakrüülnitriilil (PAN) põhinev süsinikkiud, mille toodang moodustab üle 90 protsendi kogu süsinikkiust ja viskoosil põhinev süsinikkiud alla 1 protsendi.

Klassifikatsioon tootmistingimuste ja meetodite järgi: süsinikkiud (800-1600 kraad ), grafiitkiud (2000-3000 kraad ), aktiivsöe kiud, aurustatud süsinikkiud.

Mehaaniliste omaduste järgi võib selle jagada üldotstarbeliseks ja suure jõudlusega tüübiks: üldotstarbelise süsinikkiu tugevus on 1000 MPa ja moodul umbes 100 GPa;), mille puhul nimetatakse ka tugevust, mis on suurem kui 4000 MPa. ülikõrge tugevusega tüüp ja moodulit, mis on suurem kui 450 GPa, nimetatakse ülikõrgeks mudeliks.

Puksiiri suuruse järgi võib selle jagada väikeseks ja suureks puksiiriks: väike pukseeritav süsinikkiud on algstaadiumis peamiselt 1K, 3K, 6K ning järk-järgult areneb välja 12K ja 24K, mida kasutatakse peamiselt kosmosetööstuses, spordi- ja vabaajaväljakud. Üle 48K süsinikkiude nimetatakse tavaliselt suurteks takseerivateks süsinikkiududeks, sealhulgas 48K, 60K, 80K jne, mida kasutatakse peamiselt tööstusvaldkondades.

Tõmbetugevus ja tõmbemoodul on kaks kõige olulisemat näitajat süsinikkiu jõudluse mõõtmiseks. Selle põhjal kuulutas minu riik 2011. aastal välja polüakrüülnitriilil (PAN) põhineva süsinikkiu riikliku standardi (GB/T26752-2011). Samal ajal, kuna Jaapani torail on maailmas absoluutne juhtiv eelis süsinikkiutööstuses kasutavad enamik kodumaiseid tootjaid võrdluseks ka Jaapani Toray klassifikatsioonistandardi.

2. Kõrged tehnilised tõkked tööstuses, toorsiidi tootmine on tuum, karboniseerimine ja oksüdatsioon on võti

Süsinikkiu tootmisprotsess on keeruline ja nõuab äärmiselt kõrgeid seadmeid ja tehnoloogiat. Iga lingi täpsuse, temperatuuri ja aja kontroll mõjutab suuresti lõpptoote kvaliteeti. Polüakrüülnitriil-süsinikkiust on praeguses etapis saanud kõige laiema kasutusvaldkonna ja suurima väljundiga süsinikkiud tänu selle suhteliselt lihtsale ettevalmistusprotsessile, madalatele tootmiskuludele ja kolme jäätmekäitluse mugavale kõrvaldamisele. Selle peamist toorainet, propaani, saab saada toornaftast ja polüakrüülnitriil-süsinikkiutööstuse ahel hõlmab täielikku tootmisprotsessi primaarenergiast kuni lõppkasutuseni.

Pärast propaani valmistamist toornaftast saab propaani selektiivse katalüütilise dehüdrogeenimise (PDH) abil;

Akrüülnitriil saadakse pärast propüleeni ammoksüdeerimist ja polüakrüülnitriili (PAN) prekursor pärast akrüülnitriili polümerisatsiooni ja ketramist;

Polüakrüülnitriil eeloksüdeeritakse, karboniseeritakse madalal ja kõrgel temperatuuril, et saada süsinikkiud, ning sellest saab valmistada süsinikkiust kangast ja süsinikkiust prepregmaterjali süsinikkiust komposiitmaterjalide tootmiseks;

Süsinikkiud kombineeritakse vaigu, keraamika ja muude materjalidega, et moodustada süsinikkiust komposiitmaterjale ning lõpuks saadakse erinevate vormimisprotsesside abil järgnevateks rakendusteks vajalikud lõpptooted;

Lähteaine kvaliteet ja jõudluse tase määravad otseselt süsinikkiu lõpliku jõudluse. Seetõttu on kvaliteetsete süsinikkiudude valmistamise peamisteks sõlmedeks kujunenud ketruslahuse kvaliteedi parandamine ja lähtekiudude moodustumise erinevate tegurite optimeerimine.

Vastavalt "Polüakrüülnitriilil põhineva süsinikkiu lähteaine tootmisprotsessi uurimisele" hõlmab ketrusprotsess peamiselt kolme kategooriat: märgketrus, kuivketrus ja kuiv-märgketrus. Praegu kasutatakse polüakrüülnitriili lähteainete tootmisprotsessis kodu- ja välismaal peamiselt märgketramist ja kuiv-märgketramist, mille hulgas on kõige laialdasemalt kasutatav märgketramine.

Märgketramisel pressitakse ketruslahus esmalt välja ketrusaugust ja ketruslahus siseneb peene joana koagulatsioonivanni. Polüakrüülnitriili ketruslahuse pöörlemismehhanism on järgmine: DMSO (dimetüülsulfoksiidi) kontsentratsiooni vahel ketruslahuses ja koagulatsioonivannis on suur vahe ning vee kontsentratsioon koagulatsioonivannis ja polüakrüülnitriili lahuses on samuti tohutu. lõhe. Ülaltoodud kahe kontsentratsiooni erinevuse koosmõjul hakkavad vedelikud difundeeruma mõlemas suunas ja lõpuks kondenseeruma filamentideks selliste protsesside kaudu nagu massiülekanne, soojusülekanne ja faasitasakaalu liikumine.

DMSO jääk, peenus, monokiu tugevus, moodul, pikenemine, õlisisaldus ja keeva vee kokkutõmbumine toorsiidi tootmisel muutuvad toorsiidi kvaliteeti mõjutavateks võtmeteguriteks. Võttes näiteks DMSO jääkkoguse, mõjutab see lähteaine näivaid omadusi, ristlõike olekut ja süsinikkiust lõpptoote CV väärtust. Mida väiksem on DMSO jääkkogus, seda suurem on toote jõudlus. Tootmises eemaldatakse DMSO peamiselt pesemise teel, seega saab oluliseks lüliks see, kuidas kontrollida pesutemperatuuri, -aega, magestatud vee hulka ja pesuringluse hulka.

Kvaliteetsetel polüakrüülnitriilprekursoritel peaksid olema järgmised omadused: kõrge tihedus, kõrge kristallilisus, sobiv tugevus, ümmargune ristlõige, vähem füüsikalisi defekte ning samal ajal sile pind ning ühtlane ja tihe nahasüdamiku struktuur.

Karbonisatsiooni ja oksüdatsiooni temperatuuri reguleerimine on võtmetähtsusega. Karboniseerimine ja oksüdatsioon on oluline lüli toorsiidi tootmisel süsinikkiust lõpptoodeteks. Sellel lingil tuleb temperatuuri täpsust ja vahemikku täpselt reguleerida, vastasel juhul mõjutab see oluliselt süsinikkiust toodete tõmbetugevust ja isegi traat puruneb:

Eeloksüdatsioon (200-300 aste ): eeloksüdatsiooniprotsessis, rakendades oksüdeerivas atmosfääris teatud pinget, oksüdeerub PAN-i prekursor aeglaselt ja kergelt ning pinnale moodustub suur hulk rõngakujulisi struktuure. PAN sirge ahela alusel, et see taluks Kõrgema temperatuuri töötlemise eesmärki.

Karboniseerimine (maksimaalne temperatuur mitte alla 1000 kraadi): karboniseerimisprotsess tuleb läbi viia inertses atmosfääris. Karboniseerimise varases staadiumis katkeb PAN-i sirge ahel ja algab ristsidumise reaktsioon; kui temperatuur järk-järgult tõuseb, algab termilise lagunemise reaktsioon, mille käigus eraldub suur hulk väikemolekulaarset gaasi ja hakkab moodustuma grafiidi struktuur; pärast temperatuuri edasist tõusu suureneb süsinikusisaldus kiiresti ja süsinikkiud hakkab moodustuma.

Grafitiseerimine (töötlemistemperatuur üle 2000 kraadi): Grafitiseerimine ei ole süsinikkiu tootmiseks vajalik protsess, vaid valikuline link. Kui eeldatakse, et süsinikkiul on kõrge elastsusmoodul, on vajalik grafitiseerimine; kui eeldatakse, et süsinikkiud saavutab suure tugevuse, ei ole grafitiseerimine vajalik. Grafitiseerimisprotsessis põhjustab kõrge temperatuur kiu sees arenenud grafiitvõrgu struktuuri moodustumist ja lõpptoote saamiseks normaliseeritakse struktuur joonistamise teel.

Kõrged tehnilised tõkked annavad tootmisahela järgmise etapi toodetele suure lisandväärtuse ning lennunduses kasutatavate komposiitmaterjalide hind on 200 korda kõrgem kui toorsiidil. Süsinikkiu valmistamise keerukuse ja keeruka protsessi tõttu on seda suurem lisandväärtus, mida rohkem allavoolu selle tooted on, eriti kõrgekvaliteedilised süsinikkiust komposiitmaterjalid, mida kasutatakse kosmosetööstuses. Kuna alljärgnevatel klientidel on väga ranged nõuded töökindluse ja stabiilsuse osas, on toote hind ka geomeetriliselt kõrgem võrreldes tavalise süsinikkiuga.