З чого виготовлене вуглецеве волокно?

У цю епоху швидкого технологічного прогресу матеріали вуглецевих волокон стали улюбленими в численних галузях завдяки їх винятковим властивостям. З такими перевагами, як висока міцність, висока модуль, низька щільність та стійкість до корозії, вони широко використовуються в аерокосмічній, автомобільному виробництві, спортивному обладнанні тощо. Отже, як виробляється вуглецеве волокно? Давайте вивчимо походження, розробку, методи виготовлення та застосування вуглецевого волокна.

Історія вуглецевого волокна сягає кінця 19 століття. У 1860 році британський вчений Джозеф Лебідь винайшов вуглецеве волокно під час розробки нитків для лампочок. Однак продуктивність вуглецевого волокна на той час була далеко не ідеальною, що обмежує його широке використання. Лише до середини 20 століття, при швидкому розвитку аерокосмічних технологій та зростаючого попиту на високопродуктивні матеріали, вуглецеве волокно почало привертати увагу на свої видатні властивості. У 1959 році Акіо Шиндо з Інституту промислових досліджень Осака в Японії розробив метод вироблення вуглецевого волокна з використанням поліакрилонітрилу (PAN) як сировини, закладаючи основу для масштабного виробництва вуглецевого волокна. З тих пір технологія вуглецевого волокна продовжує просуватися, її продуктивність постійно покращується.

У аерокосмічному секторі композити з вуглецевого волокна поступово замінювали традиційні метали, стаючи вирішальним структурним матеріалом для літаків, супутників та інших космічних кораблів. У автомобільному виробництві вуглецеве волокно все частіше використовується для зниження ваги транспортних засобів, підвищення ефективності палива та підвищення безпеки та комфорту. У спортивному обладнанні вуглецеве волокно стало синонімом продуктів високого класу, таких як гольф-клуби, велосипеди та тенісні ракетки.

Вуглецеве волокно - це неорганічне волокно, складене головним чином з атомів вуглецю (понад 90%), розташованих у структурі вуглецевої основи. Він утворюється за допомогою піролізу та карбонізації органічних волокон, таких як поліакрилонітрил (каструля), крок або район при високих температурах. Нижче наведено детальне вступ:

Вуглецеве волокно на основі каструлі:
Використовуючи поліакрилонітрил в якості сировини, він зазнає полімеризації, утворюючи поліакрилонітрил, який потім закручується на каструлі через процес спінінгу. Потім волокна попередньо окислюються нагріванням до 200–300 ° С у повітрі, викликаючи реакції циклізації та окислення, які створюють теплостійкі сходи. Далі, волокна проходять карбонізацію в інертній атмосфері при 1000–2000 ° C, видаливши атоми, що не мають бареля, для утворення вуглецевого волокна. Для високоефективного вуглецевого волокна застосовується додатковий процес графітизації, нагріваючи карбонізовані волокна до 2500–3000 ° C в інертній атмосфері для вдосконалення кристалічної структури та посилення модуля волокон.

Вуглецеве волокно на основі кроку:
Використовуючи нафту або вугільний крок як сировину, крок спочатку вдосконалюється для видалення домішок та збільшення його пом'якшення та в'язкості. Потім його закручують у волокна кроку за допомогою розплаву або розчину, що крутиться. Волокна проходять стабілізацію (або "інфузибілізацію") шляхом нагрівання до 200–400 ° С у повітрі, індукуючи реакції зшивання в малих молекулах, утворюючи теплостійкість структури. Нарешті, волокна карбонізуються в інертній атмосфері при 1000–2000 ° C, видаливши атоми, що не мають бареля, для отримання вуглецевого волокна.