Definição e composição da fibra de carbono
O teor de carbono e as propriedades básicas da fibra de carbono (CF) são um novo tipo de material de fibra com alta resistência e fibras de alto módulo contendo mais de 95% de carbono. É um material de grafite microcristalina obtido pelo empilhamento de fibras orgânicas, como microcristais de grafite de flocos ao longo da direção axial das fibras, após carbonização e grafitização. A massa de fibra de carbono é mais clara que o alumínio metálico, mas a força é maior que Ambientes oxidantes e boa resistência à fadiga.
O teor de carbono da fibra de carbono é um indicador importante que o distingue de outros materiais de fibra. De um modo geral, o teor de carbono da fibra de carbono é superior a 90%, o que produz fibra de carbono nas propriedades físicas com alta resistência, alto módulo, baixa densidade e outras características. A densidade da fibra de carbono é de cerca de 1,5 a 2,0 gramas por centímetro cúbico, que é determinado principalmente pela temperatura do tratamento de carbonização. Após alta temperatura 3000 ℃ Tratamento de grafitização, a densidade de até 2,0 gramas por centímetro cúbico.
Estrutura microcristalina e composição do material
A estrutura microcristalina da fibra de carbono é a chave para suas propriedades únicas. A fibra de carbono é composta principalmente de carbono, sua forma possui anisotropia significativa, macia, pode ser processada em uma variedade de tecidos, na direção do eixo da fibra, mostra alta resistência. A estrutura microcristalina da fibra de carbono é semelhante à grafite artificial, que é uma estrutura de grafite caótica. O espaçamento entre as camadas de fibras de carbono é de cerca de 3,39 a 3,42 Å. O arranjo de átomos de carbono entre as camadas paralelas não é tão arrumado quanto o da grafite, e as camadas são conectadas pelas forças de van der Waals.
A estrutura da fibra de carbono também é geralmente vista como consistindo em cristais e poros ordenados bidimensionais, nos quais o conteúdo, tamanho e distribuição dos poros têm um impacto maior no desempenho da fibra de carbono. Quando a porosidade está abaixo de um certo valor crítico, a porosidade não tem efeito significativo na força de cisalhamento interlaminar, resistência à flexão e resistência à tração dos compósitos de fibra de carbono. Alguns estudos apontaram que a porosidade crítica que causa uma diminuição nas propriedades mecânicas do material é de 1%a 4%.
Na estrutura microcristalina das fibras de carbono, o tamanho da microcristal de grafite e o espaçamento do Ply são dois parâmetros importantes. As fibras de carbono de alto módulo têm uma estrutura de cristal de grafite tridimensional ordenada localmente com menos defeitos de lamelas de grafite, empilhamento mais apertado e maior teor de carbono. Durante a preparação de fibras de carbono de alto módulo de fibras de carbono de alta resistência, a perda de força é óbvia à medida que o módulo de fibras de carbono aumenta, o que está intimamente relacionado à evolução da estrutura microcristalina. A formação e evolução das estruturas microcristalinas e poros das fibras de carbono afetam conjuntamente as propriedades das fibras de carbono.
Classificação de fibra de carbono
A classificação da fibra de carbono por fibra de SystemCarbon de matéria-prima é classificada principalmente em três categorias principais, de acordo com o sistema de matéria-prima: fibra de carbono baseada em poliacrilonitrila (PAN), fibra de carbono à base de asfalto e fibra de carbono à base de viscose, cada uma das quais possui seu Fonte exclusiva de matérias -primas e processo de preparação.
Fibra de carbono à base de PAN: é o produto convencional no mercado atual, representando mais de 90% da produção global total de fibras de carbono. As fibras de carbono baseadas em panos se tornaram o precursor mais promissor para a produção de carbono de alto desempenho Fibras devido ao seu simples processo de produção, menor custo, maior taxa de absorção de carbonização, excelentes propriedades mecânicas e outras características. Sua principal matéria-prima é acrilonitrila e o protofilamento de pan é preparado através do processo de polimerização e giro e, em seguida, transformado em fibra de carbono através do processo de pré-oxidação, carbonização e grafitização.
Fibra de carbono à base de asfalto: Asfalto como matéria-prima, após modulação, rotação, tratamento que não fura, tratamento de carbonização ou grafitização e outras etapas a serem dadas. A fibra de carbono à base de asfalto tem um alto rendimento de carbono, mas a modulação da matéria-prima é complexa, o desempenho do produto é baixo e a escala atual é pequena. As fibras de carbono baseadas em tom têm vantagens em módulo, atrito e condutividade térmica e, portanto, têm aplicações no aeroespacial.
Fibra de carbono à base de viscose: Feito de rayon como matéria-prima, através do processo de baixo rendimento de carbonização, dificuldade técnica, equipamentos complexos e alto custo. A fibra de carbono à base de viscose é usada principalmente para materiais resistentes à ablação e materiais de isolamento de calor. Como sua matéria-prima é um produto natural e não contém íons metálicos, ela possui vantagens insubstituíveis em campos específicos, como materiais de insulsão de calor para armas estratégicas, materiais de proteção contra roupas de ondas antiestáticas e anti-eletromagnéticas.
A classificação por performance de fibra de carbono é classificada pelo desempenho, principalmente com base em sua resistência à tração e no módulo de tração, que são dois índices de propriedade mecânica e podem ser divididos em médio-model-de-uso geral, de alta resistência (GQ) de alta resistência (modelo de alta resistência ( Qz), alto modelo (m) e assim por diante.
Fibra de carbono de uso geral: possui propriedades mecânicas básicas e é adequado para aplicações industriais gerais, como equipamentos esportivos, peças automotivas, etc.
Fibra de carbono de alta resistência: as maior resistência à tração do que o uso geral, amplamente utilizado em aeroespacial, equipamentos militares, etc., dos quais modelos T300, T700, T800, etc. são fibras de carbono comuns de alta resistência.
Fibra de carbono de alto modelo de alta resistência: Além da alta resistência, também possui certas características altas do módulo, adequadas para aplicações que requerem alta resistência e rigidez.
Fibra de carbono de alto modelo: Caracterizado por alto módulo, como M40, M60 e outros modelos, é usado principalmente para aplicações que requerem alta rigidez, como componentes estruturais de satélite, componentes de rolamentos principais da aeronave, etc.
As fibras de carbono com propriedades diferentes são realizadas através de diferentes processos de preparação e condições de tratamento térmico para atender aos requisitos específicos para propriedades em diferentes aplicações. Com o progresso da tecnologia e a expansão das áreas de aplicação, a classificação de desempenho da fibra de carbono também está sendo refinada e aprimorada.
Processo de fabricação de fibra de carbono
Processo de fiação
A fabricação de fibra de carbono começa com o processo de fiação, um passo em que materiais precursores, como polímeros orgânicos, como o poliacrilonitrila (PAN), são quimicamente convertidos em forma de fibra.
O processo de fiação geralmente é categorizado como giro molhado, giro seco e giro molhado/seco.
Giratório úmido: Na rotação úmida, a solução de polímero é extrudada através dos orifícios de spinneret em um banho de coagulação, onde a coagulação é alcançada pela difusão do solvente. Esse método tem uma baixa velocidade de produção e é um processo complexo, mas pode produzir fibras com uma superfície suave e uniforme. Foi estudado que a superfície das fibras de carbono fidadas úmidas possui ranhuras significativas, o que pode afetar suas propriedades compostas subsequentes.
Giro seco: Na fiação a seco, a solução de polímero é pressionada para fora do spinneret e diretamente no canal giratório, o fluxo de ar quente no canal faz com que o solvente evapore rapidamente, e a cura ocorre após o solvente no fluxo fino do fluxo do Líquido original evapora. A fiação a seco é capaz de produção contínua, velocidade de fiação rápida, grande produção, menos poluição ambiental, melhor qualidade de fibra e resistência química e propriedades de tingimento.
Giratório molhado e seco: Combinando as características dos métodos secos e úmidos, o estoque de giro é pressionado a partir do spinneret e depois passa por uma seção da camada de ar antes de entrar no banho de coagulação. Esse processo possui alta produtividade, produz fibras de carbono de boa qualidade e baixos custos de produção. A viscosidade da solução de fiação seca e úmida de até 50 ~ 100 Pa - pode melhorar a concentração da solução estoque de rotação, reduzir a recuperação de solventes e o consumo de unidades.
Estabilização
O tratamento de estabilização é uma etapa -chave no processo de fabricação de fibra de carbono, o principal objetivo é melhorar a estabilidade térmica das fibras precursoras, em preparação para o processo subsequente de carbonização. Nesta etapa, as fibras precursoras são aquecidas a 200-300 ° C no ar para promover as reações de oxidação e a formação de uma estrutura trapezoidal, melhorando assim a estabilidade térmica das fibras.
Estabilidade oxidativa: As fibras estabilizadas exibem melhor estabilidade oxidativa, o que facilita seu uso em condições adversas. Estudos mostraram que as fibras de carbono estabilizadas à base de PAN têm um grau reduzido de ciclização, uma taxa mais rápida de decomposição térmica e um menor rendimento final de carbono.
Efeito do tratamento térmico: O tempo e temperatura do tratamento de estabilização têm um efeito significativo nas propriedades das fibras de carbono. Em geral, o tempo de tratamento de estabilização é medido em horas, mas o tempo de carbonização é uma ordem de magnitude mais curta, medida em minutos. As fibras passam por um tratamento de estabilização que resulta em uma perda significativa de peso e uma redução no diâmetro.
Carbonização e tratamento de grafitização
Os tratamentos de carbonização e grafitização são as etapas finais de tratamento térmico no processo de fabricação de fibras de carbono e, juntos, determinam as propriedades finais da fibra de carbono.
Carbonização: Durante o processo de carbonização, o filamento pré-oxigenado do pan está em uma atmosfera inerte e é gradualmente aquecida de 400 ° C a 1600 ° C, passando pelas duas regiões de carbonização de baixa temperatura 400-1000 ° C e carbonização de alta temperatura 1000-1600 ° C. O filamento pré -oxigenado do PAN é aquecido de 400 ° C a 1600 ° C gradualmente. Nesta temperatura, os elementos não carbonos como N, H e O no filamento pré-oxigenado são liberados da fibra para produzir fibras de carbono com mais de 90% de teor de carbono.
Grafitização: O tratamento da grafitização é geralmente realizado a uma alta temperatura de 2.500 a 3.000 ° C para formar uma estrutura de cristal de grafite tridimensional regular a partir de uma estrutura lamelar de grafite caótica dentro da fibra de carbono. Esse processo pode aumentar significativamente o módulo de tração das fibras de carbono, de modo que as fibras de carbono grafitadas são amplamente utilizadas em tecnologias aeroespaciais e outras tecnologias de ponta.
Evolução da microestrutura: Durante o processo de grafitização, a microestrutura das fibras de carbono sofre mudanças significativas, com os microcristais de grafite aumentando em tamanho e o espaçamento da camada diminuindo, aproximando -se do espaçamento ideal de camada de cristais de grafite de 0,335 N. As propriedades mecânicas e térmicas das fibras de carbono.
