Sissejuhatus süsinikkiust

1. määratlus ja kompositsioon

Süsinikkiud on suure jõudlusega materjal, mis koosneb peamiselt süsinikuaatomitest. Need süsinikuaatomid on ühendatud mikroskoopilistesse kristallidesse, mis on enam -vähem joondatud paralleelselt kiu pika teljega. Süsiniku kiu süsinikusisaldus on tavaliselt üle 90%. Tavaliselt on see valmistatud süsinikurikkast polümeeri eelkäijast, näiteks polüakrüülonitriil (Pan), Rayon või Pitch. Komplekssete protsesside seeria kaudu muudetakse eelkäija süsinikkiust, enamik süsinikuid mitteseotud elemente eemaldatakse.

 

2. omadused ja eelised

Süsinikiud uhkeldab märkimisväärsete omadustega. Esiteks on sellel äärmiselt kõrge tugevus - kaalu suhe. See on palju kergem kui teras, kuid võib olla mitu korda tugevam, muutes selle ideaalseks rakendusteks, kus kaalu vähendamine on ülioluline ilma tugevust ohverdamata. Teiseks on süsinikkiududel suurepärane jäikus, mis tähendab, et see suudab koormuse ajal deformatsiooni vastu seista. Seda omadust hinnatakse inseneristruktuurides kõrgelt.

Lisaks on süsinikkiust hea keemiline vastupidavus, mis on võimeline taluma kokkupuudet paljude söövitavate ainetega. Sellel on ka madal soojuspaisumine, säilitades selle kuju ja mõõtmed isegi oluliste temperatuurimuutuste korral.

Süsinikkiudude eelised tähendavad erinevates tööstusharudes arvukalt eeliseid. Lennunduses tööstuses aitab selle kerge vähendada kütusekulu ja suurendada kandevõimet. Autotööstuse sektoris võib see parandada sõiduki jõudlust ja kütusesäästlikkust, parandades samal ajal ohutust. Spordiseadmetes võimaldab süsinikkiud luua kergema ja reageerivama käigu, näiteks tennisereketid ja jalgrattad.

 

Süsinikkiust valmistamisprotsess

3. eelkäija valik

Esimene samm süsinikkiust tootmisel on sobiva eelkäija valimine. Nagu varem mainitud, hõlmavad tavaliste eelkäijate hulka polüakrüülonitriil (Pan), Rayon ja Pitch. PAN on kõige laialdasemalt kasutatav eelkäija tänu suure süsiniku saagisele ja võimele toota ülitugevaid süsinikkiudu. Rayon seevastu oli üks varasemaid kasutatud eellasi, kuid sellel on madalam süsiniku saagis. Pigi on nafta- või kivisöe töötlemise kõrvalsaadus ja seda saab kasutada erinevate omadustega süsinikkiudude tootmiseks, näiteks kõrge modulatsiooni kiudude tootmiseks. Eelkäija valik sõltub lõpliku süsinikkiustoode soovitud omadustest, sealhulgas tugevus, moodul ja kulud.

 

4. eeloksüdatsioon

Kui eelkäija on valitud, toimub see eeloksüdatsiooni. See protsess on ülioluline, kuna see stabiliseerib eelkäijad ja valmistab need ette järgnevaks karboniseerimise etapis. Eeloksüdatsiooni ajal kuumutatakse prekursorikiud hapnikurikkas keskkonnas, tavaliselt temperatuuril vahemikus 200 kuni 300 kraadi. See põhjustab kiudude keemilisi reaktsioone, näiteks ristsidemete moodustumine polümeeriahelate vahel. Need ristsidemed takistavad kiudude sulamist või sulatamist karboniseerimise ajal ja aitavad kiudainete struktuuri säilitada. Oksüdatsioonielne protsess võib võtta mitu tundi ja täpseid tingimusi kontrollitakse hoolikalt, et tagada kiudude ühtlane töötlemine.

 

5.

Pärast eeloksüdatsiooni on kiud karboniseerumisel. Selles etapis kuumutatakse eeloksüdeeritud kiud kõrgete temperatuurideni, tavaliselt vahemikus 1000 kuni 2000 kraadi, inertses atmosfääris, näiteks lämmastikus. Nendel kõrgetel temperatuuridel eemaldatakse enamik kiudude, näiteks vesiniku, hapniku ja lämmastiku, mitte süsinikusisaldusega elemente lenduvate gaasidena. Ülejäänud süsinikuaatomid ümber korraldavad end järjestatud struktuuriks, moodustades süsinikkiu iseloomulikud grafiidilaadsed kihid. Karboniseerimisprotsess suurendab veelgi kiudude süsinikusisaldust üle 90% ja suurendab märkimisväärselt nende tugevust ja jäikust.

 

6. Grafitiseerimine (valikuline)

Grafitiseerimine on valikuline samm süsinikkiust tootmisprotsessis. See hõlmab karboniseeritud kiudude kuumutamist veelgi kõrgemate temperatuurideni, tavaliselt üle 2000 kraadi, inertses atmosfääris. Nendel ekstreemsetel temperatuuridel muutuvad kiudude süsinikuaatomid kõrgelt tellitud, moodustades täiuslikuma grafiidstruktuuri. Grafitiseeritud süsinikkiududel on suurem elastsusmoodul, mis tähendab, et need on jäigemad ja võivad paremini deformatsiooni vastu seista. Kuid grafitiseerimine vähendab mingil määral ka kiudude tugevust. See samm on tavaliselt ette nähtud rakenduste jaoks, kus on vaja suurt jäikust, näiteks kosmosekomponentides ja suure jõudlusega spordiseadmetes.

 

Moodustamismeetodite moodustamine süsinikkiust osade jaoks

7. Pultrisioon

Pultusioon on pidev tootmisprotsess, mida kasutatakse pideva ristlõikega süsinikkiust osade loomiseks. Selle meetodi korral tõmmatakse süsinikkiust rovings läbi vaiguvanni, et neid vaiguga immutada. Seejärel läbivad immutatud kiud soojendusega stantsi, kus vaigu ravib ja osa võtab oma lõpliku kuju. See protsess on väga tõhus ja võib toota pikki sirgeid osi, nagu vardad, torud ja talad. Seda kasutatakse sageli ehitus- ja infrastruktuuritööstuses tänu võimele luua tugevaid ja kergeid konstruktsioonikomponente.

 

8. hõõgnimentidega vormimine

Filament - mähisevormimine hõlmab pidevate süsinikkiudude hõõgniitide pakkimist pöörleva mandri ümber konkreetse mustriga. Kiud on tavaliselt immutatud vaiguga või vaiguga rakendatakse mähise käigus. Kui soovitud arv kihte on haavatud, on see osa ravitud ja mandlik eemaldatakse. See meetod sobib ideaalselt silindriliste või sfääriliste osade, näiteks rõhuanumate, raketimootorite korpuste ja torude loomiseks. See võimaldab kiudude orientatsiooni täpset kontrolli, mis võib optimeerida osa mehaanilisi omadusi.

 

9. RTM (vaiguülekande vormimine)

Vaigu ülekandevormimine (RTM) on suletud moodne protsess. Esiteks asetatakse hallituse õõnsuse sisse kuiv süsinikkiust eelvorm. Seejärel suletakse vorm ja vaigu süstitakse rõhku õõnsusse, täites ruumid kiudude vahel. Pärast vaigu ravimist avatakse vorm ja valmis osa eemaldatakse. RTM võib toota keeruka kujuga osa, millel on kõrge pinna kvaliteet ja mõõtmete täpsus. Seda kasutatakse tavaliselt autotööstuses ja kosmosetööstuses keha paneelide, sisekomponentide ja õhusõidukite tiibade tootmiseks.

 

10. kompressioonvormimine

Kompressioonvormimine on protsess, kus vaiguga (Prepreg) eelnevalt immutatud süsinikkiust eelnevalt mõõdetud kogus asetatakse kuumutatud hallituse õõnsusse. Seejärel suletakse vorm ja materjali kokkusurumiseks avaldatakse rõhku, sundides seda vormi täitma ja tagades nõuetekohase konsolideerimise. Kuumutamise ajal ravib vaigu ja osa võtab vormi kuju. See meetod sobib suure mahuga ülitugevate osade tootmiseks, millel on suhteliselt lihtne ja mõõdukalt keerukad geomeetriad, näiteks autotööstuse kehaosad, lennukite konstruktsioonikomponendid ja spordiseadmete raamid. Näiteks autotööstuses kasutatakse kehakaalu vähendamiseks ja jõudluse parandamiseks kapuutsides, spoilerites ja uksepaneelides survekujulisi süsinikkiudu. Lennundussektoris rakendatakse seda tiiva ribide ja kere sektsioonide valmistamiseks.

 

11. süstimisvormimine

Süsinikkiust osade süstevormimine hõlmab termoplastilise vaiku sulamist, mis on segatud lühikeste süsinikkiududega ja süstimist kõrgsurve all hallituse õõnsusse. Seda meetodit iseloomustab suur tootmiskiirus, suur täpsus ja võime luua keerulisi kujusid, millel on peened detailid. Protsess nõuab spetsiaalset sissepritsevormimismasinat, mis on võimeline käsitlema süsinikkiudude abrasiivset olemust. See sobib väikeste ja keskmise suurusega osade tootmiseks, näiteks elektrooniliste seadmete korpuste, autotööstuse sisekomponentide ja tarbekaupade osade tootmiseks. Võrreldes teiste meetoditega, näiteks kompressioonvormimisega, võib süstevormimine saavutada kiirema tsükli aja, kuid neil võivad olla kiudude pikkuse ja orientatsiooni piirangud, mis võivad mõjutada osa mehaanilisi omadusi.

 

Süsinikkiust osade järeltöötlus

12. kärpimine ja töötlemine

Moodustatud süsinikkiust osade kärpimine ja töötlemine on mitu eesmärki. Esmane eesmärk on saavutada soovitud mõõtmed ja eemaldada vormimisprotsessist jäänud liigne materjal. See suurendab osa sobivust koosseisudes. Meetodid hõlmavad täppissaegade kasutamist kärpimiseks ja CNC töötlemiseks keerukamate toimingute jaoks. Nende ülesannete täitmisel on ülioluline kasutada teravaid tööriistu, et vältida süsinikkiudu. Lisaks on vajalik korralik tolmu kogumine, kuna süsinikkiudude tolm võib olla kahjulik. Sageli on vaja ülitäpset mehaanilist töötlemist, kusjuures tolerantsid on mõnikord nii tihedad kui paar tuhat tolli, et vastata rangetele tööstusharudele nagu lennundus- ja autotööstus.

 

13. Pinna töötlemine

Süsinikkiust osade tavalised töötlemismeetodid hõlmavad kattekihti, värvimist ja poleerimist. Katmine võib pakkuda kaitsekihti, mis suurendab osa vastupidavust selliste keskkonnategurite suhtes nagu niiskus, UV -kiirgus ja keemiline korrosioon. Maalimine mitte ainult ei paranda osa välimust, vaid võib lisada ka täiendava kaitsekihi. Poleerimine võib anda osale sujuva, suure läikiva viimistluse. Pinna töötlemine võib oluliselt parandada osa vastupidavust ja esteetilist atraktiivsust. Näiteks saab autotööstuses hästi kattega süsinikkiust osa säilitada oma läiget ja konstruktsiooni terviklikkust pikemat aega, samal ajal kui kosmoses võib see aidata kaasa komponendi üldisele jõudlusele ja pikaealisusele.

 

Rakendused ja tulevased suundumused

14. praegused rakendused

Süsinikkiust osad on leitud laialt levinud kasutamist erinevates tööstusharudes. Lennundussektoris kasutatakse neid õhusõidukite tiibades, kere sektsioonides ja mootori komponentides, vähendades kaalu ja parandades kütusesäästlikkust. Autotööstus kasutab süsinikkiudu kehapaneelide, siseosade ja jõudlust parandavate komponentide jaoks, suurendades sõiduki kiirust ja käitlemist. Spordiseadmete tootjad kasutavad seda suure jõudlusega tenniserekettide, golfiklubide ja jalgrataste loomiseks. Lisaks kasutatakse meretööstuses paadikerede ja mastide ning tuulikute labade energiasektoris.

 

15. Tulevased suundumused

Süsinikkiust osade vormimistehnoloogia tulevik on paljutõotav, tekkib mitu peamist suundumust. Tööstuse uuringute kohaselt peaks 2030. aastaks kasvama globaalne süsinikkiust turg CAGR -iga üle 10%. Üks oluline suundumus on protsesside parandamine. Täiustatud automatiseerimine ja robootika integreeritakse üha enam vormimisprotsessidesse, vähendades inimlikke vigu ja parandades tootmise tõhusust. Näiteks võib automatiseeritud kiudaine paigutamine täpselt positsioneerida kiude, suurendades osade mehaanilisi omadusi.

Kulude vähendamine on veel üks oluline trend. Tootmismahtude suurenedes ja arendatakse uusi tootmistehnikaid, eeldatakse süsinikkiust osade kulusid. See muudab nad laiemale tööstusharule kättesaadavamaks.

Lõpuks laieneb rakendusalad. Süsinikkiust osad tungivad tõenäoliselt läbi tööstusharusid, näiteks tarbeelektroonikat, kus nende kergeid ja ülitugevaid omadusi saab kasutada seadme korpustes. Meditsiinivaldkonnas võib neid kasutada proteesides ja kirurgilistes instrumentides, pakkudes paremat jõudlust ja patsiendi mugavust.