Definición y composición de la fibra de carbono
El contenido de carbono y las propiedades básicas de la fibra de carbono (CF) es un nuevo tipo de material de fibra con fibras de alta resistencia y alta módulo que contienen más del 95% de carbono. Es un material de grafito microcristalino obtenido al apilar fibras orgánicas como microcristales de grafito de escamas a lo largo de la dirección axial de las fibras, después de la carbonización y la grafitización. La masa de fibra de carbono es más ligera que el aluminio metálico, pero la resistencia es más alta que el acero y tiene las características de resistencia a la corrosión, alto módulo, baja densidad, sin fluencia, buena conductividad eléctrica y térmica, resistencia a las temperaturas ultra altas en no -Mentajes oxidantes y buena resistencia a la fatiga.
El contenido de carbono de la fibra de carbono es un indicador importante que lo distingue de otros materiales de fibra. En términos generales, el contenido de carbono de la fibra de carbono es superior al 90%, lo que fabrica fibra de carbono en propiedades físicas con alta resistencia, alta densidad, baja densidad y otras características. La densidad de la fibra de carbono es de aproximadamente 1.5 a 2.0 gramos por centímetro cúbico, lo que está determinada principalmente por la temperatura del tratamiento de carbonización. Después de un tratamiento de grafitización de 3000 ℃ de alta temperatura, la densidad de hasta 2.0 gramos por centímetro cúbico.
Estructura microcristalina y composición del material
La estructura microcristalina de la fibra de carbono es la clave de sus propiedades únicas. La fibra de carbono se compone principalmente de carbono, su forma tiene una anisotropía significativa, suave, se puede procesar en una variedad de telas, a lo largo de la dirección del eje de fibra, muestra alta resistencia. La estructura microcristalina de la fibra de carbono es similar al grafito artificial, que es una estructura de grafito caótico. El espacio entre las capas de fibras de carbono es de aproximadamente 3.39 a 3.42 Å. La disposición de los átomos de carbono entre las capas paralelas no es tan ordenada como la del grafito, y las capas están conectadas juntas por las fuerzas de Van der Waals.
La estructura de la fibra de carbono también se considera que consiste en cristales y poros ordenados bidimensionales, en los que el contenido, el tamaño y la distribución de los poros tienen un mayor impacto en el rendimiento de la fibra de carbono. Cuando la porosidad está por debajo de un cierto valor crítico, la porosidad no tiene un efecto significativo sobre la resistencia al corte interlaminar, la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción de los compuestos de fibra de carbono. Algunos estudios han señalado que la porosidad crítica que causa una disminución en las propiedades mecánicas del material es del 1%-4%.
En la estructura microcristalina de las fibras de carbono, el tamaño del microcristal de grafito y el espaciado de las capas son dos parámetros importantes. Las fibras de carbono de alto módulo tienen una estructura de cristal de grafito tridimensional ordenada localmente con menos defectos de láminas de grafito, apilamiento más ajustado y mayor contenido de carbono. Durante la preparación de fibras de carbono de alto módulo de fibras de carbono de alta resistencia, la pérdida de resistencia es obvia a medida que aumenta el módulo de las fibras de carbono, que está estrechamente relacionada con la evolución de la estructura microcristalina. La formación y evolución de las estructuras microcristalinas y de poros de las fibras de carbono afectan conjuntamente las propiedades de las fibras de carbono.
Clasificación de fibra de carbono
La clasificación de la fibra de carbono por el sistema de materia prima del sistema de fibra decarbono se clasifica principalmente en tres categorías principales de acuerdo con el sistema de materia prima: fibra de carbono basada en poliacrilonitrilo (PAN), fibra de carbono a base de asfalto y fibra de carbono a base de viscosa, cada una de las cuales tiene su propia fuente única de materias primas y proceso de preparación.
Fibra de carbono a base de sartén: es el producto convencional en el mercado actual, que representa más del 90% de la producción global total de fibras de carbono. Fibras debidas a su simple proceso de producción, menor costo, mayor tasa de absorción de carbonización, excelentes propiedades mecánicas y otras características. Su materia prima principal es el acrilonitrilo, y el protofilamento de la sartén se prepara a través del proceso de polimerización y giro, y luego se realiza en fibra de carbono a través del proceso de preoxidación, carbonización y grafitización.
Fibra de carbono basada en asfalto: Ta el asfalto de ajuste como materia prima, después de la modulación, el hilado, el tratamiento sin derretimiento, el tratamiento de carbonización o grafitización y otros pasos a hacer. La fibra de carbono a base de asfalto tiene un alto rendimiento de carbono, pero la modulación de la materia prima es compleja, el rendimiento del producto es bajo y la escala actual es pequeña. Las fibras de carbono a base de tono tienen ventajas en el módulo, la fricción y la conductividad térmica y, por lo tanto, tienen aplicaciones en aeroespacial.
Fibra de carbono a base de viscosa: Hecho de rayón como materia prima, a través del proceso de bajo rendimiento de carbonización, dificultad técnica, equipos complejos y alto costo. La fibra de carbono a base de viscosa se utiliza principalmente para materiales resistentes a la ablación y materiales a insulento al calor. Debido a que su materia prima es un producto natural y no contiene iones metálicos, tiene ventajas irremplazables en campos específicos, como materiales aislantes de calor para armas estratégicas, materiales de protección contra la ropa de olas antiestáticas y anti-electromagnéticas.
La clasificación por rendimiento de la fibra de carbono se clasifica por rendimiento, principalmente en función de su módulo de resistencia a la tracción y tracción, que son dos índices de propiedades mecánicas, y se pueden dividir en modelos medios de propiedades de alta resistencia (GQ) de alta resistencia (GQ) (GQ) ( Qz), modelo alto (m), etc.
Fibra de carbono de uso general: Tiene propiedades mecánicas básicas y es adecuada para aplicaciones industriales generales, como equipos deportivos, piezas automotrices, etc.
Fibra de carbono de alta resistencia: es una mayor resistencia a la tracción que la resistencia a la tracción que el uso general, ampliamente utilizado en equipos aeroespaciales, militares, etc., de los cuales los modelos T300, T700, T800, etc. son fibras de carbono comunes de alta resistencia.
Fibra de carbono Modelo Media de alta resistencia: Además de la alta resistencia, también tiene ciertas características de alta módulo, adecuadas para aplicaciones que requieren alta resistencia y rigidez.
Fibra de carbono de alto modelo: caracterizado por un alto módulo, como M40, M60 y otros modelos, se usa principalmente para aplicaciones que requieren alta rigidez, como componentes estructurales satelitales, componentes principales de rodamiento de aeronaves, etc.
Las fibras de carbono con diferentes propiedades se realizan a través de diferentes procesos de preparación y condiciones de tratamiento térmico para cumplir con los requisitos específicos para las propiedades en diferentes aplicaciones. Con el progreso de la tecnología y la expansión de las áreas de aplicación, la clasificación de rendimiento de la fibra de carbono también se está refinando y mejorando.
Proceso de fabricación de fibra de carbono
Proceso de hilado
La fabricación de fibra de carbono comienza con el proceso de hilado, un paso en el que los materiales precursores como los polímeros orgánicos como el poliacrilonitrilo (PAN) se convierten químicamente en forma de fibra.
El proceso de giro generalmente se clasifica como giro húmedo, giro seco y giro húmedo/seco.
Giro húmedo: En el hilado húmedo, la solución de polímero se extruye a través de los agujeros de la hilera en un baño de coagulación, donde la coagulación se logra mediante difusión del disolvente. Este método tiene una baja velocidad de producción y es un proceso complejo, pero puede producir fibras con una superficie lisa y uniforme. Se ha estudiado que la superficie de las fibras de carbono hiladas en húmedo tiene surcos significativos, lo que puede afectar sus propiedades compuestas posteriores.
Giración en seco: En giro seco, la solución de polímero se presiona de la rina y directamente hacia el canal giratorio, el flujo de aire caliente en el canal hace El líquido original se evapora. El giro seco es capaz de producción continua, velocidad de giro rápida, producción grande, menos contaminación ambiental, mejor calidad de fibra y resistencia química y propiedades de teñido.
Girador húmedo y seco: Combinando las características de los métodos secos y húmedos, el stock giratorio se presiona desde el spinneret y luego pasa a través de una sección de la capa de aire antes de ingresar al baño de coagulación. Este proceso tiene una alta productividad, produce fibras de carbono de buena calidad y tiene bajos costos de producción. Solución giratoria seca y húmeda La viscosidad de hasta 50 ~ 100 Pa - s, puede mejorar la concentración de la solución madre de hilado, reducir la recuperación de solventes y el consumo de la unidad.
Estabilización
El tratamiento de estabilización es un paso clave en el proceso de fabricación de fibras de carbono, el objetivo principal es mejorar la estabilidad térmica de las fibras precursoras, en preparación para el proceso de carbonización posterior. En este paso, las fibras precursoras se calientan a 200-300 ° C en el aire para promover reacciones de oxidación y la formación de una estructura trapezoidal, mejorando así la estabilidad térmica de las fibras.
Estabilidad oxidativa: Las fibras estabilizadas exhiben una mejor estabilidad oxidativa, lo que facilita su uso en condiciones duras. Los estudios han demostrado que las fibras de carbono estabilizadas a base de sartén tienen un grado reducido de ciclación, una tasa más rápida de descomposición térmica y un rendimiento final de carbono final más bajo.
Efecto del tratamiento térmico: El tiempo y la temperatura del tratamiento de estabilización tienen un efecto significativo en las propiedades de las fibras de carbono. En general, el tiempo de tratamiento de estabilización se mide en horas, pero el tiempo de carbonización es un orden de magnitud más corto, medido en minutos. Las fibras experimentan un tratamiento de estabilización que resulta en una pérdida de peso significativa y una reducción en el diámetro.
Tratamiento de carbonización y grafitización
Los tratamientos de carbonización y grafitización son los pasos finales del tratamiento térmico en el proceso de fabricación de fibra de carbono, y juntos determinan las propiedades finales de la fibra de carbono.
Carbonización: Durante el proceso de carbonización, el filamento preoxigenado de la sartén se encuentra en una atmósfera inerte y se calienta gradualmente de 400 ° C a 1600 ° C, pasando a través de las dos regiones de carbonización a baja temperatura 400-1000 ° C y carbonización de alta temperatura 1000-1600 ° C. El filamento preoxigenado de la sartén se calienta de 400 ° C a 1600 ° C gradualmente. En esta temperatura, los elementos no carbonos como N, H y O en el filamento preoxigenado se liberan de la fibra para producir fibras de carbono con más del 90% de contenido de carbono.
Grafitización: el tratamiento con grafitización generalmente se lleva a cabo a una temperatura alta de 2,500 a 3.000 ° C para formar una estructura de cristal de grafito tridimensional regular a partir de una estructura laminar de grafito caótico dentro de la fibra de carbono. Este proceso puede aumentar significativamente el módulo de tracción de las fibras de carbono, por lo que las fibras de carbono grafitizadas se usan ampliamente en las tecnologías aeroespaciales y otras tecnologías de vanguardia.
Evolución de la microestructura: Durante el proceso de grafitización, la microestructura de las fibras de carbono sufre cambios significativos, con los microcristales de grafito que aumentan en tamaño y la espaciamiento de la capa disminuyendo, acercándose al espaciado de capa ideal de cristales de grafito de 0.335 nm. Las propiedades mecánicas y térmicas de las fibras de carbono.
