Totul despre fibra de carbon

Cunoașterea totul despre fibra de carbon este foarte importantă pentru fiecare persoană modernă. Înțelegând tehnologia producției de carbon în Rusia, densitatea și alte caracteristici ale fibrei de carbon, va fi mai ușor de înțeles domeniul de aplicare al acesteia și de a face alegerea corectă. În plus, ar trebui să aflați totul despre chit și încălzire prin pardoseală cu fibră de carbon, despre producătorii străini ai acestui produs și despre diverse domenii de aplicare.

Denumirile de fibră de carbon și fibră de carbon, și într-o serie de surse, de asemenea, fibră de carbon, sunt foarte frecvente. Dar ideea caracteristicilor reale ale acestor materiale și a posibilităților de utilizare a acestora este destul de diferită pentru mulți oameni. Din punct de vedere tehnic, acest material este asamblat din fire cu o secțiune transversală de nu mai puțin de 5 și nu mai mult de 15 microni... Aproape toată compoziția este alcătuită din atomi de carbon - de unde și numele. Acești atomi înșiși sunt grupați în cristale clare care formează linii paralele.

Acest design oferă o rezistență foarte mare la tracțiune. Fibra de carbon nu este o invenție complet nouă. Primele mostre dintr-un material similar au fost primite și utilizate de Edison. Mai târziu, la mijlocul secolului al XX-lea, fibra de carbon a cunoscut o renaștere - și de atunci utilizarea sa a crescut constant.

Cea mai importantă dintre caracteristicile fibrei de carbon rămâne ea rezistență la căldură excepțională... Chiar dacă substanța este încălzită până la 1600 - 2000 de grade, atunci în absența oxigenului în mediu parametrii săi nu se vor schimba. Densitatea acestui material, împreună cu cea obișnuită, este de asemenea liniară (măsurată în așa-numitul tex). Cu o densitate liniară de 600 tex, masa a 1 km de bandă va fi de 600 g. În multe cazuri, modulul elastic al materialului, sau, după cum se spune, modulul Young, este, de asemenea, extrem de important.

Pentru fibra de înaltă rezistență, această cifră variază de la 200 la 250 GPa. Fibra de carbon cu modul înalt pe bază de PAN are un modul elastic de aproximativ 400 GPa. Pentru soluțiile cu cristale lichide, acest parametru poate varia de la 400 la 700 GPa. Modulul elastic este calculat pe baza estimării valorii sale atunci când cristalele individuale de grafit sunt întinse. Orientarea planurilor atomice este stabilită folosind analiza de difracție de raze X.

Tensiunea de suprafață implicită este de 0,86 N/m. La prelucrarea materialului pentru a obține o fibră metal-compozită, această cifră crește la 1,0 N / m. Măsurarea prin metoda ascensiunii capilare ajută la determinarea parametrului corespunzător. Punctul de topire al fibrelor pe bază de smoală de petrol este de 200 de grade. Învârtirea are loc la aproximativ 250 de grade; punctul de topire al altor tipuri de fibre depinde direct de compoziția lor.

Lățimea maximă a pânzelor de carbon depinde de cerințele tehnologice și de nuanțe. Pentru mulți producători, este de 100 sau 125 cm. În ceea ce privește rezistența axială, aceasta va fi egală cu:

• pentru produse de înaltă rezistență bazate pe PAN de la 3000 la 3500 MPa;
• pentru fibre cu alungire semnificativă, strict 4500 MPa;
• pentru materiale cu modul înalt de la 2000 la 4500 MPa.

Calculele teoretice ale stabilității unui cristal sub o forță de tracțiune față de planul atomic al rețelei dau o valoare estimată de 180 GPa.Limita practică așteptată este de 100 GPa. Cu toate acestea, experimentele nu au confirmat încă prezența unui nivel mai mare de 20 GPa. Rezistența reală a fibrei de carbon este limitată de defectele sale mecanice și de nuanțele procesului de fabricație. Rezistența la întindere a unei secțiuni cu lungimea de 1/10 mm stabilită în studiile practice va fi de la 9 la 10 GPa.

Fibra de carbon T30 merită o atenție specială. Acest material este utilizat în principal în producția de tije. Această soluție se distinge prin ușurință și echilibru excelent. Indicele T30 denota un modul de elasticitate de 30 de tone.

Fibra de carbon poate fi făcută dintr-o mare varietate de tipuri de polimeri. Modul de procesare determină două tipuri principale de astfel de materiale - tipuri carbonizate și grafitizate. Există o distincție importantă între fibra derivată din PAN și diferite tipuri de pas. Fibrele de carbon de calitate, atât de înaltă rezistență, cât și de modul înalt, pot avea diferite niveluri de duritate și modul. Este obișnuit să le referiți la diferite mărci.

Fibrele sunt realizate în format de filament sau mănunchi. Sunt formate de la 1000 la 10000 de filamente continue. Se pot realiza și țesături din aceste fibre, precum câlți (în acest caz, numărul de filamente este și mai mare). Materia primă de pornire nu sunt doar fibre simple, ci și smoală de cristale lichide, precum și poliacrilonitril. Procesul de producție presupune mai întâi producerea fibrelor originale, iar apoi acestea sunt încălzite în aer la 200 - 300 de grade.

În cazul PAN, acest proces se numește pretratare sau creșterea rezistenței la foc. După o astfel de procedură, pitch-ul capătă o proprietate atât de importantă precum infuzibilitatea. Fibrele sunt parțial oxidate. Modul de încălzire suplimentară determină dacă vor aparține grupului carbonizat sau grafitizat. Finalizarea lucrarii presupune conferirea suprafetei a proprietatilor necesare, dupa care se finiseaza sau se dimensioneaza.

Oxidarea în aer crește rezistența la foc nu numai ca urmare a oxidării. Contribuția se face nu numai prin dehidrogenarea parțială, ci și prin reticulare intermoleculară și alte procese. În plus, susceptibilitatea materialului la topirea și volatilizarea atomilor de carbon este redusă. Carbonizarea (în faza de temperatură înaltă) este însoțită de gazificare și evadarea tuturor atomilor străini.

Carbonizarea lor ulterioară se realizează într-un mediu cu azot la 1000 - 1500 de grade. Nivelul optim de încălzire, potrivit unui număr de tehnologi, este de 1200 - 1400 de grade. Fibra cu modul înalt va trebui să fie încălzită până la aproximativ 2500 de grade. În etapa preliminară, PAN primește o microstructură de scară. Condensarea la nivel intramolecular, însoțită de apariția unei substanțe aromatice policiclice, este „responsabilă” de apariția acesteia.

Cu cât temperatura crește mai mult, cu atât structura de tip ciclic va fi mai mare. După terminarea tratamentului termic conform tehnologiei, dispunerea moleculelor sau fragmentelor aromatice este astfel încât axele principale să fie paralele cu axa fibrelor. Tensiunea previne scăderea gradului de orientare. Caracteristicile specifice ale descompunerii PAN în timpul tratamentului termic sunt determinate de concentrația de monomeri grefați. Fiecare tip de astfel de fibre determină condițiile inițiale de procesare.

Smul de petrol cu ​​cristale lichide trebuie păstrat mult timp la temperaturi de la 350 la 400 de grade. Acest mod va duce la condensarea moleculelor policiclice. Masa lor crește, iar lipirea între ele are loc treptat (odată cu formarea de sferulite). Dacă încălzirea nu se oprește, sferulitele cresc, greutatea moleculară crește, iar rezultatul este formarea unei faze cristaline lichide continue. Cristalele sunt ocazional solubile în chinolină, dar de obicei nu se dizolvă atât în ​​ea, cât și în piridină (acest lucru depinde de nuanțele tehnologiei).

Fibrele obținute din smoală de cristal lichid cu 55 - 65% cristale lichide curg plastic. Învârtirea se efectuează la 350 - 400 de grade. O structură foarte orientată se formează prin încălzirea inițială într-o atmosferă de aer la 200 - 350 de grade și menținerea ulterioară într-o atmosferă inertă. Fibrele mărcii Thornel P-55 trebuie încălzite până la 2000 de grade, cu cât modulul de elasticitate este mai mare, cu atât temperatura ar trebui să fie mai mare.

Recent, lucrările științifice și de inginerie acordă din ce în ce mai multă atenție tehnologiei care utilizează hidrogenarea. Producția inițială de fibre este adesea realizată prin hidrogenarea unui amestec de smoală de gudron de cărbune și rășină naftalată. În acest caz, ar trebui să fie prezentă tetrahidrochinolină. Temperatura de procesare este de 380 - 500 de grade. Solidele pot fi îndepărtate prin filtrare și centrifugare; apoi smocii sunt îngroşate la o temperatură ridicată. Pentru producția de carbon, este necesar să se utilizeze (în funcție de tehnologie) o varietate destul de mare de echipamente:

• straturi care distribuie vidul;
• pompe;
• hamuri de etanșare;
• mese de lucru;
• capcane;
• plasă conductivă;
• filme de vid;
• preimpregnate;
• autoclave.

Următorii producători de fibre de carbon sunt lideri pe piața globală:

• Thornell, Fortafil și Celion (Statele Unite);
• Grafil și Modmore (Anglia);
• Kureha-Lone și Toreika (Japonia);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• Grupul SGL;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Astăzi carbonul este produs în Rusia:

• Fabrica de carbon și materiale compozite din Chelyabinsk;
• Producția de carbon Balakovo;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Întreprinderea Saratov „START”.

Fibra de carbon este folosită pentru a face armături compozite. De asemenea, este obișnuit să îl folosiți pentru a obține:

• țesături bidirecționale;
• țesături de designer;
• țesut biaxial și quadroaxial;
• material nețesut;
• bandă unidirecțională;
• preimpregnate;
• armare exterioara;
• fibră;
• hamuri.

O inovație destul de serioasă este acum podea caldă cu infraroșu. În acest caz, materialul este folosit ca înlocuitor pentru firul metalic tradițional. Poate genera de 3 ori mai multă căldură, în plus, consumul de energie este redus cu aproximativ 50%. Iubitorii tehnicilor complexe de modelare folosesc adesea tuburi de carbon obținute prin înfășurare. Aceste produse sunt, de asemenea, solicitate de producătorii de mașini și alte echipamente. Fibra de carbon este adesea folosită pentru frânele de mână, de exemplu. De asemenea, pe baza acestui material, obțineți:

• piese pentru modele de aeronave;
• hote dintr-o bucată;
• biciclete;
• piese pentru tuning autoturisme si motociclete.

Panourile din țesătură de carbon sunt cu 18% mai rigide decât aluminiul și cu 14% mai multe decât oțelul structural... Manșoane bazate pe acest material sunt necesare pentru a obține țevi și țevi de secțiune transversală variabilă, produse spiralate de diferite profile. De asemenea, sunt folosite pentru producerea și repararea croselor de golf. De asemenea, merită subliniat utilizarea sa. în producția de huse deosebit de rezistente pentru smartphone-uri și alte gadget-uri. Astfel de produse au, de obicei, un caracter premium și au calități decorative îmbunătățite.

În ceea ce privește pulberea dispersată de tip grafit, este nevoie de:

• la primirea acoperirilor electrice conductoare;
• la eliberarea adezivului de diferite tipuri;
• la armarea matrițelor și a altor piese.

Chitul din fibră de carbon este mai bun decât chitul tradițional în mai multe moduri. Această combinație este apreciată de mulți experți pentru plasticitatea și rezistența mecanică. Compoziția este potrivită pentru acoperirea defectelor profunde. Tijele sau tijele din carbon sunt puternice, ușoare și de lungă durată. Un astfel de material este necesar pentru:

• aviaţie;
• industria rachetelor;
• eliberarea echipamentului sportiv.

Prin piroliza sărurilor acidului carboxilic se pot obține cetone și aldehide.Proprietățile termice excelente ale fibrei de carbon îi permit să fie utilizat în încălzitoare și plăcuțe de încălzire. Astfel de încălzitoare:

• economic;
• de încredere;
• se disting prin eficiență impresionantă;
• nu răspândiți radiații periculoase;
• relativ compact;
• perfect automatizat;
• operat fără probleme inutile;
• nu răspândiți zgomote străine.

Compozitele carbon-carbon sunt utilizate la producerea:

• suporturi pentru creuzete;
• piese conice pentru cuptoare de topire în vid;
• piese tubulare pentru ele.

Domeniile suplimentare de aplicare includ:

• cuțite de casă;
• utilizare pentru o supapă petală pe motoare;
• utilizare in constructii.

Constructorii moderni au folosit de mult acest material nu numai pentru armarea exterioară. De asemenea, este necesară consolidarea caselor de piatră și a piscinelor. Stratul de armare lipit restabilește calitățile suporturilor și grinzilor din poduri. De asemenea, este folosit la crearea foselor septice și încadrarea rezervoarelor naturale, artificiale, atunci când se lucrează cu un cheson și o groapă de siloz.

În următorul videoclip veți găsi mai multe informații despre producția de fibră de carbon.