Что такое углеродное волокно?
Углеродное волокно — это легкое и прочное волокно, состоящее в основном из углерода.
Углеродное волокно изготавливается путем огнестойкой обработки органического соединения в волокнистой форме с последующей высокотемпературной термической обработкой (спеканием) при температуре 1800 °F или выше для удаления атомов водорода и азота из сырого органического соединения, в результате чего содержание атомов углерода составляет 90% или выше.
Применение углеродного волокна
Углеродное волокно используется во многих областях в качестве замены металлических материалов, используя его способность снижать вес, сохраняя прочность. Кроме того, его гибкость, электронная проводимость, коррозионная стойкость и огнестойкость делают его пригодным для широкого спектра применений.
Углеродное волокно редко используется само по себе; вместо этого оно обычно используется как композитный материал в сочетании с такими материалами, как смолы, керамика и металлы. В частности, углеродное волокно используется в самолетах, ракетах и спутниках, которые требуют легкости и высокой прочности. Оно также используется в хирургических ортопедических изделиях, таких как искусственные конечности, и в оборудовании для ухода за больными, таком как инвалидные коляски и кровати для ухода за больными, из-за его легкости и простоты в обращении.
В частности, в автомобильной промышленности углеродное волокно может способствовать снижению расхода топлива за счет снижения веса транспортных средств. По этой причине углеродное волокно привлекло внимание и использовалось в гоночных автомобилях с первых дней его разработки. Углеродное волокно также применяется в области спортивных товаров, таких как клюшки для гольфа, удочки, катушки, велосипедные рамы, теннисные ракетки, лыжи и сноуборды, благодаря своей высокой прочности и модулю упругости.
В будущем ожидается, что углеродное волокно также будет использоваться в строительстве и гражданском машиностроении, например, путем прикрепления листов углеродного волокна к бетонным конструкциям для усиления их сейсмостойкости и в качестве материала-заменителя для кабелей и стальных рам в подвесных мостах.
Типы углеродного волокна
Углеродное волокно подразделяется на два типа в зависимости от сырья: углеродное волокно на основе ПАН и углеродное волокно на основе пека. В настоящее время углеродное волокно на основе ПАН является основным, составляя 90% мирового производства углеродного волокна.
1. Углеродное волокно на основе ПАН
Углеродное волокно, изготовленное из ПАН (полиакрилонитрильного) волокна, обладает чрезвычайно высокой прочностью и модулем и широко используется в промышленных областях, требующих высокой надежности, таких как космическая промышленность, а также в более привычных областях, таких как товары для отдыха и спорт.
Наиболее распространенное применение углеродного волокна — в промышленной сфере. В автомобильной отрасли оно используется в капотах, спойлерах, бензобаках и многих других деталях. Оно также используется в качестве материала-заменителя для металлических деталей, таких как листовые рессоры и шестерни.
2. Углеродное волокно на основе пека
Углеродное волокно на основе пека имеет свойство регулируемого модуля упругости. По этой причине его используют в деталях, не требующих высокой упругости, и, наоборот, в изделиях, требующих высокой упругости. Углеродное волокно на основе пека далее подразделяется на мезофазное пековое волокно и изотропное пековое волокно.
Мезофазный пек — это высокопроизводительное углеродное волокно (HPCF) с высокой прочностью и высоким модулем. Изотропный пек, с другой стороны, имеет случайно ориентированные молекулы и является оптически изотропным.
Полученное изотропное пековое волокно демонстрирует более низкие механические свойства, такие как прочность и модуль упругости, по сравнению с мезофазным пековым волокном. Однако оно работает аналогично в других аспектах и является универсальным углеродным волокном (GPCF) с более низким модулем упругости.
Другая информация об углеродном волокне
Как производится углеродное волокно
Углеродное волокно может быть произведено либо из углеродного волокна на основе ПАН, либо из углеродного волокна на основе пека, в зависимости от сырья.
- Огнестойкость:Волокна окисляются путем нагревания при температуре 400–500 °F на воздухе для предотвращения плавления в последующем процессе.
- Углеродное волокно: Нагрев при температуре 1500–2900 °F в инертной атмосфере удаляет из волокна водород, азот и кислород.
- Графитизация: Графитизация углерода путем нагревания до 4500–5400 ℃ в инертной атмосфере для улучшения модуля упругости.
1. Углеродное волокно PAN
Углеродное волокно на основе ПАН изготавливается из акрилового волокна (ПАН-волокно). В процессе огнестойкости молекулы акрилового волокна нагреваются до 400-500 °F на воздухе для формирования циклической структуры. В процессе карбонизации тепло 1850 °F или выше применяется в инертном газе для изменения молекулярной структуры кристаллической углеродной структуры.
В конце процесса карбонизации получается углеродное волокно с высокой прочностью и высоким модулем упругости. Однако графитизация, при которой применяется тепло 3650 °F или выше, дает графитовое волокно с немного меньшей прочностью, но высоким модулем упругости.
2. Углеродное волокно на основе пека
Угольные и нефтяные пеки, которые остаются после перегонки смолы, полученной путем сухой перегонки угля и нефти, преобразуются в волокно и спекаются. Длинные волокна изготавливаются из пека в процессе расплавления-прядения перед огнезащитным процессом, а волокно-предшественник получается путем стабилизации волокон. Волокно-предшественник подвергается огнезащитной обработке, карбонизации и графитизации таким же образом, как и углеродное волокно ПАН для получения углеродного волокна на основе пека.