Глубокий анализ индустрии углеродного волокна: высокие темпы роста, широкое пространство новых материалов и высокое качество треков.

Углеродное волокно, известное как король новых материалов XXI века, представляет собой яркую жемчужину среди материалов.Углеродное волокно (CF) — это разновидность неорганического волокна с содержанием углерода более 90%.Органические волокна (волокна на основе вискозы, пека, полиакрилонитрила и т. д.) подвергаются пиролизу и карбонизации при высокой температуре с образованием углеродной основы.

Являясь новым поколением армированного волокна, углеродное волокно обладает превосходными механическими и химическими свойствами.Он не только обладает характеристиками, присущими углеродным материалам, но также обладает мягкостью и технологичностью текстильного волокна.Поэтому он широко используется в аэрокосмической отрасли, энергетическом оборудовании, транспорте, спорте и сфере отдыха.

Легкий вес: как новый стратегический материал с отличными характеристиками, плотность углеродного волокна почти такая же, как у магния и бериллия, менее 1/4 плотности стали.Использование композита из углеродного волокна в качестве конструкционного материала позволяет снизить вес конструкции на 30–40%.

Высокая прочность и высокий модуль: удельная прочность углеродного волокна в 5 раз выше, чем у стали и в 4 раза выше, чем у алюминиевого сплава;Удельный модуль упругости в 1,3-12,3 раза выше, чем у других конструкционных материалов.

Малый коэффициент расширения: коэффициент теплового расширения большинства углеродных волокон отрицательный при комнатной температуре, 0 при 200-400 ℃ и только 1,5 при температуре менее 1000 ℃ × 10-6 / K, нелегко расширяться и деформироваться из-за высокой рабочей нагрузки. температура.

Хорошая стойкость к химической коррозии: углеродное волокно имеет высокое содержание чистого углерода, а углерод является одним из наиболее стабильных химических элементов, что обеспечивает его очень стабильную работу в кислотной и щелочной среде, что позволяет использовать его во всех видах химических антикоррозионных продуктов.

Сильная усталостная устойчивость: структура углеродного волокна стабильна.По статистике полимерной сети, после миллионов циклов испытаний на усталость, коэффициент сохранения прочности композита все еще составляет 60%, в то время как у стали – 40%, алюминия – 30%, а стеклопластика – всего 20. % – 25%.

Композит из углеродного волокна представляет собой повторное усиление углеродного волокна.Хотя углеродное волокно можно использовать отдельно и выполнять определенную функцию, в конце концов, это хрупкий материал.Только когда он соединяется с матричным материалом с образованием композита из углеродного волокна, он может лучше раскрыть свои механические свойства и выдерживать большие нагрузки.

Углеродные волокна можно классифицировать по различным параметрам, таким как тип прекурсора, метод производства и характеристики.

По типу прекурсора: на основе полиакрилонитрила (Пан), на основе пека (изотропный, мезофазный);Вискозная основа (целлюлозная основа, вискозная основа).Среди них доминирующее положение занимает углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (Пан), объем его производства составляет более 90% от общего объема углеродного волокна, тогда как на долю углеродного волокна на основе вискозы приходится менее 1%.

По условиям и методам изготовления: углеродное волокно (800-1600 ℃), графитовое волокно (2000-3000 ℃), активированное углеродное волокно, углеродное волокно, выращенное из паровой фазы.

По механическим свойствам его можно разделить на общий тип и высокопроизводительный тип: прочность углеродного волокна общего типа составляет около 1000 МПа, а модуль упругости составляет около 100 ГПа;Тип с высокими эксплуатационными характеристиками можно разделить на высокопрочный тип (прочность 2000 мПа, модуль 250 гПа) и высокую модель (модуль 300 гПа или более), среди которых прочность более 4000 МПа также называется типом сверхвысокой прочности, а модуль более 450 гПа - называется сверхвысокой моделью.

В зависимости от размера жгута его можно разделить на маленький жгут и большой жгут: малый жгут из углеродного волокна в основном состоит из 1K, 3K и 6K на начальном этапе, а затем постепенно превращается в 12K и 24K, которые в основном используются в аэрокосмической и спортивной сферах. и сферы досуга.Углеродные волокна выше 48К обычно называют углеродными волокнами большого жгута, включая 48К, 60К, 80К и т. д., которые в основном используются в промышленных областях.

Предел прочности и модуль упругости являются двумя основными показателями для оценки свойств углеродного волокна.На основании этого в 2011 году Китай обнародовал национальный стандарт на углеродное волокно на основе PAN (GB / t26752-2011). В то же время, благодаря абсолютному лидирующему преимуществу Toray в мировой промышленности углеродного волокна, большинство отечественных производителей также принимают классификационный стандарт Toray. в качестве ссылки.

1.2 высокие барьеры приносят высокую добавленную стоимость.Улучшение процесса и реализация массового производства могут значительно снизить затраты и повысить эффективность.

1.2.1 технический барьер отрасли высок, производство прекурсоров является основой, а карбонизация и окисление являются ключевыми

Процесс производства углеродного волокна сложен и требует высокого оборудования и технологий.Контроль точности, температуры и времени каждого звена существенно повлияет на качество конечного продукта.Полиакрилонитрильное углеродное волокно в настоящее время стало наиболее широко используемым и самым производительным углеродным волокном благодаря относительно простому процессу его изготовления, низкой себестоимости и удобной утилизации трех видов отходов.Основное сырье, пропан, может быть получено из сырой нефти, а производственная цепочка производства углеродного волокна PAN включает в себя полный производственный процесс от первичной энергии до конечного применения.

После получения пропана из сырой нефти пропилен получали селективным каталитическим дегидрированием (ПДГ) пропана;

Акрилонитрил получали аммоксидированием пропилена.Прекурсор полиакрилонитрила (Пан) получали полимеризацией и формованием акрилонитрила;

Полиакрилонитрил предварительно окисляют, карбонизуют при низкой и высокой температуре с получением углеродного волокна, из которого можно изготавливать ткань из углеродного волокна и препрег из углеродного волокна для производства композитов из углеродного волокна;

Углеродное волокно сочетается со смолой, керамикой и другими материалами, образуя композиты из углеродного волокна.Наконец, конечные продукты для последующего применения получают с помощью различных процессов формования;

Качество и уровень производительности предшественника напрямую определяют конечные характеристики углеродного волокна.Поэтому повышение качества прядильного раствора и оптимизация факторов формирования прекурсора становятся ключевыми моментами получения высококачественного углеродного волокна.

Согласно «Исследованию процесса производства предшественника углеродного волокна на основе полиакрилонитрила», процесс прядения в основном включает три категории: мокрое прядение, сухое прядение и сухое мокрое прядение.В настоящее время для производства прекурсора полиакрилонитрила в стране и за рубежом в основном используются мокрое прядение и сухое мокрое прядение, среди которых наиболее широко используется мокрое прядение.

При влажном прядении сначала прядильный раствор выдавливается из отверстия фильеры, а прядильный раствор поступает в коагуляционную ванну в виде небольшого потока.Механизм прядения полиакрилонитрильного прядильного раствора заключается в том, что существует большой разрыв между концентрацией ДМСО в прядильном растворе и коагуляционной ванне, а также существует большой разрыв между концентрацией воды в коагуляционной ванне и растворе полиакрилонитрила.При взаимодействии двух вышеупомянутых разностей концентраций жидкость начинает диффундировать в двух направлениях и, наконец, конденсируется в нити посредством массопереноса, теплопередачи, движения фазового равновесия и других процессов.

При производстве прекурсора остаточное количество ДМСО, размер волокна, прочность мононити, модуль упругости, удлинение, содержание масла и усадка при кипячении становятся ключевыми факторами, влияющими на качество прекурсора.Если взять в качестве примера остаточное количество ДМСО, то оно влияет на видимые свойства предшественника, состояние поперечного сечения и значение CV конечного продукта из углеродного волокна.Чем ниже остаточное количество ДМСО, тем выше эффективность продукта.В производстве ДМСО в основном удаляется при стирке, поэтому важным звеном становится контроль температуры, времени, количества обессоленной воды и продолжительности цикла стирки.

Высококачественный предшественник полиакрилонитрила должен иметь следующие характеристики: высокую плотность, высокую кристалличность, соответствующую прочность, круглое поперечное сечение, меньше физических дефектов, гладкую поверхность и однородную и плотную структуру сердцевины оболочки.

Ключевым моментом является контроль температуры карбонизации и окисления.Карбонизация и окисление являются важным этапом производства конечной продукции из углеродного волокна из прекурсора.На этом этапе следует точно контролировать точность и диапазон температуры, в противном случае прочность на разрыв изделий из углеродного волокна будет значительно снижена и даже приведет к обрыву проволоки.

Предварительное окисление (200-300 ℃): в процессе предварительного окисления предшественник ПАН медленно и умеренно окисляется за счет приложения определенного напряжения в окислительной атмосфере, образуя большое количество кольцевых структур на основе прямой цепи сковороды, чтобы достичь цели выдерживать более высокую температурную обработку.

Карбонизация (максимальная температура не ниже 1000 ℃): процесс карбонизации следует проводить в инертной атмосфере.На ранней стадии карбонизации пан-цепь разрывается и начинается реакция сшивки;С повышением температуры реакция термического разложения начинает выделять большое количество низкомолекулярных газов и начинает формироваться структура графита;При дальнейшем повышении температуры содержание углерода быстро увеличивалось и начало формироваться углеродное волокно.

Графитизация (температура обработки выше 2000 ℃): графитизация не является необходимым процессом для производства углеродного волокна, а является необязательным процессом.Если ожидается высокий модуль упругости углеродного волокна, необходима графитация;Если ожидается высокая прочность углеродного волокна, графитация не требуется.В процессе графитации высокая температура заставляет волокно образовывать развитую структуру графитовой сетки, и структура интегрируется путем вытягивания для получения конечного продукта.

Высокие технические барьеры наделяют перерабатывающую продукцию высокой добавленной стоимостью, а цена авиационных композитов в 200 раз превышает стоимость шелка-сырца.Из-за высокой сложности подготовки углеродного волокна и сложного процесса, чем дальше по технологической цепочке находится продукция, тем выше добавленная стоимость.Особенно для высококачественных композитов из углеродного волокна, используемых в аэрокосмической области, поскольку у последующих клиентов есть очень строгие требования к их надежности и стабильности, цена продукта также демонстрирует геометрический кратный рост по сравнению с обычным углеродным волокном.


Время публикации: 22 июля 2021 г.