Углеродное волокно Это волокнистый материал с содержанием углерода более 95%. Он обладает превосходными механическими, химическими, электрическими и другими свойствами. Это «король новых материалов» и стратегический материал, которого не хватает в военных и гражданских разработках. Известен как «чёрное золото».
Линия по производству углеродного волокна выглядит следующим образом:
Как изготавливается тонкое углеродное волокно?
Технология производства углеродного волокна к настоящему времени уже достаточно развита и достигла зрелости. Благодаря постоянному развитию композитных материалов на основе углеродного волокна, они становятся всё более востребованными во всех сферах, особенно в связи с бурным ростом производства лопастей ветроэнергетики, авиации, автомобилестроения, железнодорожного транспорта и т.д., что, в свою очередь, способствует развитию углеродной промышленности. Перспективы ещё более широки.
Цепочку производства углеродного волокна можно разделить на два этапа: восходящий и нисходящий. Под нисходящим обычно понимается производство материалов, предназначенных для углеродного волокна; нисходящий — производство компонентов для его применения. Компании, находящиеся между нисходящим и восходящим этапами, можно рассматривать как поставщиков оборудования для производства углеродного волокна. Как показано на рисунке:
Весь процесс производства углеродного волокна от шёлка-сырца до углеродного волокна в цепочке его производства включает такие процессы, как окислительные печи, печи карбонизации, печи графитизации, обработка поверхности и шлихтование. В структуре волокна преобладает углеродное волокно.
Восходящая цепочка производства углеродного волокна относится к нефтехимической промышленности, и акрилонитрил в основном получается путем переработки сырой нефти, крекинга, окисления аммиака и т. д.; полиакрилонитрильное волокно-прекурсор, углеродное волокно получают путем предварительного окисления и карбонизации волокна-прекурсора, а композитный материал на основе углеродного волокна получают путем обработки углеродного волокна и высококачественной смолы для удовлетворения требований применения.
Процесс производства углеродного волокна включает в себя следующие основные этапы: вытяжку, стабилизацию, карбонизацию и графитизацию. Как показано на рисунке:
Рисунок:Это первый этап производства углеродного волокна. Он заключается в разделении сырья на волокна, что представляет собой физическое изменение. В ходе этого процесса происходит массо- и теплопередача между прядильной и коагуляционной жидкостью, а затем происходит осаждение полиакрилонитрила (ПАН). Нити образуют гелевую структуру.
Составление:Для достижения эффекта растяжения ориентированных волокон требуется температура от 100 до 300 градусов. Это также ключевой этап для достижения высокого модуля упругости, армирования, уплотнения и измельчения ПАН-волокон.
Стабильность:Методом нагрева и окисления при температуре 400 градусов термопластичная линейная макромолекулярная цепь ПАН преобразуется в непластичную термостойкую трапециевидную структуру, благодаря чему она не плавится и не воспламеняется при высоких температурах, сохраняет форму волокна, а термодинамика находится в стабильном состоянии.
Карбонизация:Необходимо вытеснить из ПАН неуглеродные элементы при температуре 1000-2000 градусов и в конечном итоге получить углеродные волокна с турбостратной структурой графита с содержанием углерода более 90%.
Графитизация: Для преобразования аморфных и турбостратных карбонизированных материалов в трехмерные графитовые структуры требуется температура от 2000 до 3000 градусов, что является основной технической мерой для улучшения модуля углеродных волокон.
Подробный процесс производства углеродного волокна от процесса производства сырого шелка до готового продукта заключается в том, что PAN-сырец производится в ходе предыдущего процесса производства сырого шелка. После предварительной вытяжки влажным теплом питателя проволоки он последовательно транспортируется в печь предварительного окисления с помощью волочильной машины. После обжига при различных градиентах температур в группе печей предварительного окисления образуются окисленные волокна, то есть предварительно окисленные волокна; предварительно окисленные волокна формируются в углеродные волокна после прохождения через среднетемпературные и высокотемпературные печи карбонизации; затем углеродные волокна подвергаются окончательной обработке поверхности, калибровке, сушке и другим процессам для получения изделий из углеродного волокна. Весь процесс непрерывной подачи проволоки и точного контроля, малейшая проблема в любом процессе повлияет на стабильность производства и качество конечного продукта из углеродного волокна. Производство углеродного волокна имеет длительный технологический процесс, множество технических ключевых моментов и высокие производственные барьеры. Это интеграция множества дисциплин и технологий.
Выше показано производство углеродного волокна, давайте посмотрим, как используется ткань из углеродного волокна!
Переработка изделий из углеродного волокна
1. Резка
Препрег достают из холодильного хранилища при температуре минус 18 градусов. После пробуждения первым шагом является точная резка материала по схеме на автоматическом раскройном станке.
2. Мощение
Вторым этапом является наложение препрега на формующую оснастку и укладка отдельных слоёв в соответствии с требованиями конструкции. Все процессы осуществляются с помощью лазерного позиционирования.
3. Формирование
С помощью автоматизированного манипуляторного робота заготовка отправляется в формовочную машину для компрессионного формования.
4. Резка
После формовки заготовка отправляется на рабочую станцию режущего робота для четвёртого этапа резки и снятия заусенцев, что обеспечивает точность размеров заготовки. Этот процесс также может осуществляться с помощью ЧПУ.
5. Уборка
Пятым этапом является очистка сухим льдом на станции очистки для удаления разделительного состава, что удобно для последующего процесса нанесения клея.
6. Клей
Шестой этап — нанесение структурного клея на станции склеивающего робота. Положение склеивания, скорость и выход клея точно регулируются. Часть соединения с металлическими деталями выполняется заклёпкой на станции клёпки.
7. Проверка сборки
После нанесения клея внутренняя и внешняя панели собираются. После затвердевания клея проводится детектирование синим светом для обеспечения точности размеров отверстий, точек, линий и поверхностей.
Углеродное волокно сложнее обрабатывать.
Углеродное волокно обладает как высокой прочностью на разрыв, характерной для углеродных материалов, так и лёгкой обрабатываемостью волокон. Углеродное волокно — это новый материал с превосходными механическими свойствами. Возьмём, к примеру, углеродное волокно и обычную сталь: прочность углеродного волокна составляет от 400 до 800 МПа, в то время как прочность обычной стали — от 200 до 500 МПа. Что касается прочности, то углеродное волокно и сталь практически одинаковы, и очевидной разницы между ними нет.
Углеродное волокно обладает более высокой прочностью и меньшим весом, поэтому его можно назвать королем новых материалов. Благодаря этому преимуществу в процессе обработки композитов, армированных углеродным волокном (CFRP), матрица и волокна вступают в сложные внутренние взаимодействия, что делает их физические свойства отличными от свойств металлов. Плотность CFRP значительно меньше, чем у металлов, в то время как прочность выше, чем у большинства металлов. Из-за неоднородности CFRP в процессе обработки часто происходит вытягивание волокон или отслоение волокон матрицы; CFRP обладает высокой термостойкостью и износостойкостью, что делает его более требовательным к оборудованию во время обработки, поэтому в процессе производства выделяется большое количество тепла при резке, что более серьезно сказывается на износе оборудования.
В то же время, с постоянным расширением областей его применения, требования становятся все более деликатными, а требования к применимости материалов и требованиям к качеству углепластика — все более строгими, что также влечет за собой рост стоимости переработки.
Переработка углеродного волокна
После отверждения и формования углеродной плиты для обеспечения точности или сборки требуется последующая обработка, такая как резка и сверление. При одинаковых условиях, таких как параметры процесса резки и глубина резания, выбор инструментов и сверл из разных материалов, размеров и форм будет иметь совершенно разный эффект. Кроме того, на результаты обработки влияют такие факторы, как прочность, направление, время и температура инструментов и сверл.
При последующей обработке старайтесь выбирать острый инструмент с алмазным покрытием и цельное твердосплавное сверло. Износостойкость инструмента и самого сверла определяет качество обработки и срок службы. Недостаточная острота или неправильное использование инструмента и сверла не только ускоряет износ, увеличивает стоимость обработки изделия, но и приводит к повреждению пластины, влияя на её форму и размеры, а также на стабильность размеров отверстий и пазов. Это приводит к послойному разрыву материала или даже к разрушению блока, что приводит к браку всей пластины.
При бурениилисты углеродного волокнаЧем выше скорость, тем лучше эффект. При выборе сверл обратите внимание на уникальную конструкцию торцевой кромки сверла PCD8, которая лучше подходит для листов углеродного волокна, обеспечивая лучшее проникновение в листы углеродного волокна и снижая риск расслоения.
При резке толстых листов углеродного волокна рекомендуется использовать двухлезвийную компрессионную фрезу с левой и правой спиральной конструкцией кромок. Эта острая режущая кромка имеет как верхнюю, так и нижнюю спиральные вершины для балансировки осевого усилия инструмента вверх и вниз во время резки. Это гарантирует, что результирующая сила резания направлена на внутреннюю сторону материала, обеспечивая стабильные условия резания и предотвращая расслоение материала. Конструкция верхней и нижней ромбовидных кромок фрезы «Pineapple Edge» также позволяет эффективно резать листы углеродного волокна. Глубокая стружечная канавка отводит значительную часть тепла, образующегося при резке, за счет отвода стружки во время резки, что предотвращает повреждение углеродного волокна.
01 Непрерывное длинное волокно
Характеристики продукта:Самая распространенная форма продукции производителей углеродного волокна — жгут, состоящий из тысяч мононитей, которые в зависимости от метода скручивания делятся на три типа: NT (никогда не скрученные, раскрученные), UT (раскрученные, не скрученные), TT или ST (скрученные, скрученные), из которых NT является наиболее часто используемым углеродным волокном.
Основное применение:В основном используется для композитных материалов, таких как CFRP, CFRTP или C/C-композитные материалы, а области применения включают авиационное/космическое оборудование, спортивные товары и детали промышленного оборудования.
02 Пряжа из штапельного волокна
Характеристики продукта:Короче говоря, пряжа из коротких волокон, спряденная из коротких углеродных волокон, например, углеродные волокна общего назначения на основе пека, обычно представляют собой продукцию в виде коротких волокон.
Основные области применения:теплоизоляционные материалы, антифрикционные материалы, детали из углерод-углеродного композита и т. д.
03 Ткань из углеродного волокна
Характеристики продукта:Он изготавливается из непрерывного углеродного волокна или пряжи из углеродного волокна. В зависимости от способа плетения углеродные ткани можно разделить на тканые, трикотажные и нетканые. В настоящее время углеродные ткани, как правило, представляют собой тканые материалы.
Основное применение:То же, что и непрерывное углеродное волокно, в основном используется в композитных материалах, таких как CFRP, CFRTP или C/C композитные материалы, а области применения включают авиационное/космическое оборудование, спортивные товары и детали промышленного оборудования.
04 Ремень из углеродного волокна
Характеристики продукта:Он относится к виду углеродной волокнистой ткани, которая также соткана из непрерывного углеродного волокна или пряжи из углеродного волокна.
Основное применение:В основном используется для армирующих материалов на основе смол, особенно для производства и обработки трубчатых изделий.
05 Рубленое углеродное волокно
Характеристики продукта:В отличие от пряжи из углеродного волокна, ее обычно изготавливают из непрерывного углеродного волокна путем рубленой обработки, а длина рубленого волокна может быть выбрана в соответствии с потребностями заказчика.
Основные области применения:Обычно используется в виде смеси пластмасс, смол, цемента и т. д., путем смешивания с матрицей можно улучшить механические свойства, износостойкость, электропроводность и термостойкость; в последние годы в качестве армирующих волокон в композитах из углеродного волокна для 3D-печати в основном используют рубленые углеродные волокна.
06 Шлифовка углеродного волокна
Характеристики продукта:Так как углеродное волокно является хрупким материалом, его можно приготовить в виде порошкообразного углеродного волокнистого материала после измельчения, то есть измельчения углеродного волокна.
Основное применение:похоже на рубленое углеродное волокно, но редко используется для армирования цемента; обычно используется в качестве соединения с пластиком, смолой, резиной и т. д. для улучшения механических свойств, износостойкости, электропроводности и термостойкости матрицы.
07 Коврик из углеродного волокна
Характеристики продукта:Основная форма — войлок или мат. Сначала короткие волокна накладываются слоями механическим кардочесанием и другими методами, а затем изготавливаются методом иглопробивания; также известный как нетканый материал из углеродного волокна, он относится к разновидности тканого материала из углеродного волокна.Основные области применения:теплоизоляционные материалы, формованные подложки из теплоизоляционных материалов, термостойкие защитные слои и подложки из коррозионно-стойких слоев и т. д.
08 Бумага из углеродного волокна
