La fibra de carbono, conocida como el rey de los nuevos materiales del siglo XXI, es una perla brillante en los materiales.La fibra de carbono (CF) es un tipo de fibra inorgánica con más del 90% de contenido de carbono.Las fibras orgánicas (a base de viscosa, a base de brea, a base de poliacrilonitrilo, etc.) se pirolizan y carbonizan a alta temperatura para formar una estructura principal de carbono.
Como nueva generación de fibra reforzada, la fibra de carbono tiene excelentes propiedades mecánicas y químicas.No sólo tiene las características inherentes de los materiales de carbono, sino que también tiene la suavidad y procesabilidad de la fibra textil.Por lo tanto, es ampliamente utilizado en los campos aeroespacial, de equipos energéticos, de transporte, deportivos y de ocio.
Peso ligero: como nuevo material estratégico con excelentes prestaciones, la densidad de la fibra de carbono es casi la misma que la del magnesio y el berilio, menos de 1/4 de la del acero.El uso de compuestos de fibra de carbono como material estructural puede reducir el peso estructural entre un 30% y un 40%.
Alta resistencia y alto módulo: la resistencia específica de la fibra de carbono es 5 veces mayor que la del acero y 4 veces mayor que la de la aleación de aluminio;El módulo específico es de 1,3 a 12,3 veces el de otros materiales estructurales.
Pequeño coeficiente de expansión: el coeficiente de expansión térmica de la mayoría de las fibras de carbono es negativo a temperatura ambiente, 0 a 200-400 ℃ y solo 1,5 a menos de 1000 ℃ × 10-6 / K, no es fácil de expandir y deformar debido al alto trabajo. temperatura.
Buena resistencia a la corrosión química: la fibra de carbono tiene un alto contenido de carbono puro y el carbono es uno de los elementos químicos más estables, lo que da como resultado su rendimiento muy estable en ambientes ácidos y alcalinos, lo que puede convertirse en todo tipo de productos químicos anticorrosión.
Fuerte resistencia a la fatiga: la estructura de la fibra de carbono es estable.Según las estadísticas de la red de polímeros, después de millones de ciclos de pruebas de fatiga por tensión, la tasa de retención de resistencia del compuesto sigue siendo del 60%, mientras que la del acero es del 40%, la del aluminio es del 30% y la del plástico reforzado con fibra de vidrio es solo del 20%. % – 25%.
El compuesto de fibra de carbono es el refuerzo de la fibra de carbono.Aunque la fibra de carbono se puede utilizar sola y desempeñar una función específica, al fin y al cabo es un material quebradizo.Sólo cuando se combina con el material de la matriz para formar un compuesto de fibra de carbono puede aprovechar mejor sus propiedades mecánicas y soportar más cargas.
Las fibras de carbono se pueden clasificar según diferentes dimensiones, como el tipo de precursor, el método de fabricación y el rendimiento.
Según el tipo de precursor: a base de poliacrilonitrilo (Pan), a base de brea (isotrópica, mesofásica);Base de viscosa (base de celulosa, base de rayón).Entre ellas, la fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo (Pan) ocupa la posición principal, y su producción representa más del 90% del total de fibra de carbono, mientras que la fibra de carbono a base de viscosa representa menos del 1%.
Según las condiciones y métodos de fabricación: fibra de carbono (800-1600 ℃), fibra de grafito (2000-3000 ℃), fibra de carbón activado, fibra de carbono cultivada con vapor.
Según las propiedades mecánicas, se puede dividir en tipo general y tipo de alto rendimiento: la resistencia de la fibra de carbono de tipo general es de aproximadamente 1000 MPa y el módulo es de aproximadamente 100 GPa;El tipo de alto rendimiento se puede dividir en tipo de alta resistencia (resistencia 2000 mPa, módulo 250 gpa) y modelo alto (módulo 300 gpa o más), entre los cuales la resistencia superior a 4000 mpa también se denomina tipo de resistencia ultra alta, y el módulo superior a 450 gpa es llamado modelo ultra alto.
Según el tamaño del remolque, se puede dividir en remolque pequeño y remolque grande: la fibra de carbono del remolque pequeño es principalmente de 1K, 3K y 6K en la etapa inicial, y se desarrolla gradualmente a 12K y 24K, que se utiliza principalmente en la industria aeroespacial y deportiva. y campos de ocio.Las fibras de carbono por encima de 48K generalmente se denominan fibras de carbono de remolque grande, incluidas 48K, 60K, 80K, etc., que se utilizan principalmente en campos industriales.
La resistencia a la tracción y el módulo de tracción son dos índices principales para evaluar las propiedades de la fibra de carbono.Sobre esta base, China promulgó el estándar nacional para fibra de carbono basada en PAN (GB/t26752-2011) en 2011. Al mismo tiempo, debido a la ventaja absoluta de liderazgo de Toray en la industria mundial de la fibra de carbono, la mayoría de los fabricantes nacionales también adoptan el estándar de clasificación de Toray. como una referencia.
1.2 barreras elevadas aportan un alto valor añadido.Mejorar el proceso y realizar una producción en masa puede reducir significativamente los costos y aumentar la eficiencia.
1.2.1 la barrera técnica de la industria es alta, la producción de precursores es el núcleo y la carbonización y oxidación son la clave
El proceso de producción de fibra de carbono es complejo, lo que requiere altos equipos y tecnología.El control de precisión, temperatura y tiempo de cada eslabón afectará en gran medida a la calidad del producto final.La fibra de carbono de poliacrilonitrilo se ha convertido en la fibra de carbono más utilizada y de mayor rendimiento en la actualidad debido a su proceso de preparación relativamente simple, su bajo costo de producción y su conveniente eliminación de tres desechos.La principal materia prima, el propano, se puede fabricar a partir de petróleo crudo, y la cadena industrial de fibra de carbono PAN incluye un proceso de fabricación completo desde la energía primaria hasta la aplicación terminal.
Después de preparar propano a partir de petróleo crudo, se obtuvo propileno mediante deshidrogenación catalítica selectiva (PDH) de propano;
El acrilonitrilo se obtuvo mediante amoxidación de propileno.El precursor de poliacrilonitrilo (Pan) se obtuvo mediante polimerización e hilatura de acrilonitrilo;
El poliacrilonitrilo se preoxida y carboniza a baja y alta temperatura para obtener fibra de carbono, que se puede convertir en tejido de fibra de carbono y preimpregnado de fibra de carbono para la producción de compuestos de fibra de carbono;
La fibra de carbono se combina con resina, cerámica y otros materiales para formar compuestos de fibra de carbono.Finalmente, los productos finales para aplicaciones posteriores se obtienen mediante diversos procesos de moldeo;
La calidad y el nivel de rendimiento del precursor determinan directamente el rendimiento final de la fibra de carbono.Por lo tanto, mejorar la calidad de la solución de hilatura y optimizar los factores de formación de precursores se convierten en puntos clave para preparar fibra de carbono de alta calidad.
Según la “Investigación sobre el proceso de producción de precursores de fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo”, el proceso de hilatura incluye principalmente tres categorías: hilatura en húmedo, hilatura en seco y hilatura en húmedo en seco.En la actualidad, el hilado en húmedo y el hilado en húmedo en seco se utilizan principalmente para producir precursores de poliacrilonitrilo en el país y en el extranjero, entre los cuales el hilado en húmedo es el más utilizado.
El hilado húmedo primero extruye la solución de hilado desde el orificio de la hilera y la solución de hilado ingresa al baño de coagulación en forma de un pequeño flujo.El mecanismo de hilado de la solución de hilado de poliacrilonitrilo es que existe una gran brecha entre la concentración de DMSO en la solución de hilado y el baño de coagulación, y también hay una gran brecha entre la concentración de agua en el baño de coagulación y la solución de poliacrilonitrilo.Bajo la interacción de las dos diferencias de concentración anteriores, el líquido comienza a difundirse en dos direcciones y finalmente se condensa en filamentos mediante transferencia de masa, transferencia de calor, movimiento de equilibrio de fases y otros procesos.
En la producción de precursor, la cantidad residual de DMSO, el tamaño de la fibra, la resistencia del monofilamento, el módulo, el alargamiento, el contenido de aceite y la contracción en agua hirviendo se convierten en los factores clave que afectan la calidad del precursor.Tomando la cantidad residual de DMSO como ejemplo, influye en las propiedades aparentes del precursor, el estado de la sección transversal y el valor CV del producto final de fibra de carbono.Cuanto menor sea la cantidad residual de DMSO, mayor será el rendimiento del producto.En la producción, el DMSO se elimina principalmente mediante el lavado, por lo que controlar la temperatura, el tiempo, la cantidad de agua desalada y la cantidad del ciclo de lavado se convierte en un vínculo importante.
El precursor de poliacrilonitrilo de alta calidad debe tener las siguientes características: alta densidad, alta cristalinidad, resistencia adecuada, sección transversal circular, menos defectos físicos, superficie lisa y estructura central de piel uniforme y densa.
El control de la temperatura de carbonización y oxidación es la clave.La carbonización y oxidación es un paso esencial en la producción de productos finales de fibra de carbono a partir de precursores.En este paso, la precisión y el rango de temperatura deben controlarse con precisión; de lo contrario, la resistencia a la tracción de los productos de fibra de carbono se verá afectada significativamente e incluso provocará la rotura del cable.
Preoxidación (200-300 ℃): en el proceso de preoxidación, el precursor de PAN se oxida lenta y suavemente aplicando una cierta tensión en la atmósfera oxidante, formando una gran cantidad de estructuras de anillo sobre la base de la cadena recta del pan, para lograr el propósito de soportar un tratamiento a mayor temperatura.
Carbonización (temperatura máxima no inferior a 1000 ℃): el proceso de carbonización debe realizarse en una atmósfera inerte.En la etapa inicial de la carbonización, la cadena pan se rompe y comienza la reacción de reticulación;Con el aumento de temperatura, la reacción de descomposición térmica comienza a liberar una gran cantidad de gases de moléculas pequeñas y comienza a formarse la estructura de grafito;Cuando la temperatura aumentó aún más, el contenido de carbono aumentó rápidamente y la fibra de carbono comenzó a formarse.
Grafitización (temperatura de tratamiento superior a 2000 ℃): la grafitización no es un proceso necesario para la producción de fibra de carbono, sino un proceso opcional.Si se espera un módulo elástico alto de la fibra de carbono, se necesita grafitización;Si se espera una alta resistencia de la fibra de carbono, no es necesaria la grafitización.En el proceso de grafitización, la alta temperatura hace que la fibra forme una estructura de malla de grafito desarrollada, y la estructura se integra mediante trefilado para obtener el producto final.
Las elevadas barreras técnicas confieren a los productos derivados un alto valor añadido, y el precio de los compuestos para la aviación es 200 veces mayor que el de la seda cruda.Debido a la gran dificultad de la preparación de la fibra de carbono y al complejo proceso, cuanto más avanzados sean los productos, mayor será el valor añadido.Especialmente para los compuestos de fibra de carbono de alta gama utilizados en el campo aeroespacial, debido a que los clientes intermedios tienen requisitos muy estrictos sobre su confiabilidad y estabilidad, el precio del producto también muestra un crecimiento múltiple geométrico en comparación con la fibra de carbono ordinaria.
Hora de publicación: 22-jul-2021