Allt om kolfiber

Att veta allt om kolfiber är mycket viktigt för varje modern människa. Genom att förstå tekniken för kolproduktion i Ryssland, densitet och andra egenskaper hos kolfiber, blir det lättare att förstå omfattningen av dess tillämpning och göra rätt val. Dessutom bör du ta reda på allt om spackel och golvvärme med kolfiber, om utländska tillverkare av denna produkt och om olika användningsområden.

Namnen kolfiber och kolfiber, och i en rad källor även kolfiber, är mycket vanliga. Men idén om de faktiska egenskaperna hos dessa material och möjligheterna för deras användning är helt annorlunda för många människor. Ur teknisk synvinkel, detta material är sammansatt av trådar med ett tvärsnitt på minst 5 och inte mer än 15 mikron... Nästan hela kompositionen består av kolatomer - därav namnet. Dessa atomer i sig är grupperade i skarpa kristaller som bildar parallella linjer.

Denna design ger mycket hög draghållfasthet. Kolfiber är ingen helt ny uppfinning. De första proverna av ett liknande material togs emot och användes av Edison. Senare, i mitten av 1900-talet, fick kolfiber en renässans - och sedan dess har användningen stadigt ökat.

Den viktigaste av egenskaperna hos kolfiber förblir dess exceptionell värmebeständighet... Även om ämnet värms upp till 1600 - 2000 grader, kommer dess parametrar inte att förändras i frånvaro av syre i miljön. Tätheten av detta material, tillsammans med det vanliga, är också linjär (mätt i den så kallade texen). Med en linjär densitet på 600 tex blir massan på 1 km bana 600 g. I många fall är materialets elasticitetsmodul, eller, som man säger, Youngs modul, också kritiskt viktig.

För höghållfast fiber varierar denna siffra från 200 till 250 GPa. Kolfiber med hög modul tillverkad på basis av PAN har en elasticitetsmodul på cirka 400 GPa. För flytande kristalllösningar kan denna parameter variera från 400 till 700 GPa. Elasticitetsmodulen beräknas baserat på bedömningen av dess värde vid sträckning av enskilda grafitkristaller. Atomplanens orientering fastställs med hjälp av röntgendiffraktionsanalys.

Den förinställda ytspänningen är 0,86 N/m. Vid bearbetning av materialet för att erhålla en metallkompositfiber stiger denna siffra till 1,0 N / m. Mätningen med kapilläruppstigningsmetoden hjälper till att bestämma motsvarande parameter. Smälttemperaturen för fibrer baserade på petroleumbeck är 200 grader. Spinning sker vid ca 250 grader; Smältpunkten för andra typer av fibrer beror direkt på deras sammansättning.

Den maximala bredden på koldukar beror på tekniska krav och nyanser. För många tillverkare är det 100 eller 125 cm. När det gäller den axiella hållfastheten kommer den att vara lika med:

• för höghållfasta produkter baserade på PAN från 3000 till 3500 MPa;
• för fibrer med betydande förlängning, strikt 4500 MPa;
• för högmodulmaterial från 2000 till 4500 MPa.

Teoretiska beräkningar av stabiliteten hos en kristall under en dragkraft mot gittrets atomplan ger ett uppskattat värde på 180 GPa.Den förväntade praktiska gränsen är 100 GPa. Emellertid har experiment ännu inte bekräftat närvaron av en nivå på mer än 20 GPa. Den verkliga styrkan hos kolfiber begränsas av dess mekaniska defekter och nyanserna i tillverkningsprocessen. Draghållfastheten för en sektion med en längd av 1/10 mm fastställd i praktiska studier kommer att vara från 9 till 10 GPa.

T30 kolfibern förtjänar särskild uppmärksamhet. Detta material används främst vid tillverkning av stavar. Denna lösning kännetecknas av sin lätthet och utmärkta balans. T30-indexet anger en elasticitetsmodul på 30 ton.

Kolfiber kan tillverkas av en mängd olika polymertyper. Bearbetningsläget bestämmer två huvudtyper av sådana material - karboniserade och grafitiserade typer. En viktig skillnad finns mellan fiber som härrör från PAN och olika tonhöjdstyper. Kvalitetskolfibrer, både hög hållfasthet och hög modul, kan ha olika nivåer av hårdhet och modul. Det är vanligt att hänvisa dem till olika märken.

Fibrer tillverkas i filament- eller buntformat. De bildas från 1000 till 10000 kontinuerliga filament. Tyger från dessa fibrer kan också tillverkas, som tows (i detta fall är antalet filament ännu större). Utgångsråvaran är inte bara enkla fibrer, utan också flytande kristallbeck, såväl som polyakrylnitril. Tillverkningsprocessen innebär först produktionen av de ursprungliga fibrerna, och sedan värms de upp i luft vid 200 - 300 grader.

När det gäller PAN kallas denna process för förbehandling eller brandmotståndsförbättring. Efter en sådan procedur får tonhöjden en så viktig egenskap som infusibilitet. Fibrerna är delvis oxiderade. Sättet för ytterligare uppvärmning avgör om de kommer att tillhöra den karboniserade eller grafitiserade gruppen. Slutet av arbetet innebär att ge ytan de nödvändiga egenskaperna, varefter den är klar eller dimensionering.

Oxidation i luft ökar brandmotståndet inte bara som ett resultat av oxidation. Bidraget görs inte bara genom partiell dehydrering, utan också genom intermolekylär tvärbindning och andra processer. Dessutom minskar materialets känslighet för smältning och förångning av kolatomer. Karbonisering (i högtemperaturfasen) åtföljs av förgasning och flykt av alla främmande atomer.

Deras efterföljande förkolning utförs i en kvävemiljö vid 1000 - 1500 grader. Den optimala uppvärmningsnivån, enligt ett antal teknologer, är 1200 - 1400 grader. Fiber med hög modul kommer att behöva värmas upp till cirka 2500 grader. I det preliminära skedet får PAN en stegmikrostruktur. Kondensation på intramolekylär nivå, åtföljd av uppkomsten av en polycyklisk aromatisk substans, är "ansvarig" för dess förekomst.

Ju mer temperaturen stiger, desto större blir strukturen för den cykliska typen. Efter slutet av värmebehandlingen enligt tekniken är arrangemanget av molekyler eller aromatiska fragment sådant att huvudaxlarna kommer att vara parallella med fiberaxeln. Spänningen förhindrar att graden av orientering faller. De specifika egenskaperna för PAN-nedbrytning under värmebehandling bestäms av koncentrationen av ympade monomerer. Varje typ av sådana fibrer bestämmer de initiala bearbetningsbetingelserna.

Flytande kristall petroleumbeck måste hållas under lång tid vid temperaturer från 350 till 400 grader. Detta läge kommer att leda till kondensation av polycykliska molekyler. Deras massa ökar, och vidhäftning sker gradvis (med bildandet av sfäruliter). Om uppvärmningen inte upphör, växer sfäruliterna, molekylvikten ökar, och resultatet är bildandet av en kontinuerlig flytande kristallin fas. Kristaller är ibland lösliga i kinolin, men vanligtvis löser de sig inte både i det och i pyridin (detta beror på nyanserna i tekniken).

Fibrer erhållna från flytande kristallbeck med 55 - 65% flytande kristaller flyter plastiskt. Spinning utförs vid 350 - 400 grader. En mycket orienterad struktur bildas genom initial uppvärmning i en luftatmosfär vid 200 - 350 grader och efterföljande hållning i en inert atmosfär. Fibrer av märket Thornel P-55 måste värmas upp till 2000 grader, ju högre elasticitetsmodulen är, desto högre bör temperaturen vara.

Nyligen ägnar vetenskapliga och tekniska verk mer och mer uppmärksamhet åt tekniken som använder hydrering. Den initiala produktionen av fibrer åstadkoms ofta genom att hydrera en blandning av stenkolstjärabeck och naftalgummi. I detta fall bör tetrahydrokinolin vara närvarande. Bearbetningstemperaturen är 380 - 500 grader. Fasta ämnen kan avlägsnas genom filtrering och centrifugering; sedan förtjockas becken vid förhöjd temperatur. För produktion av kol är det nödvändigt att använda (beroende på tekniken) en mängd olika utrustning:

• lager som fördelar vakuum;
• pumps;
• tätningsselar;
• arbetsbord;
• fällor;
• ledande nät;
• vakuumfilmer;
• prepregs;
• autoklaver.

Följande kolfibertillverkare är ledande på den globala marknaden:

• Thornell, Fortafil och Celion (USA);
• Grafil och Modmore (England);
• Kureha-Lone och Toreika (Japan);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Idag produceras kol i Ryssland:

• Chelyabinsk anläggning av kol och kompositmaterial;
• Balakovo kolproduktion;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Saratov-företaget "START".

Kolfiber används för att tillverka kompositarmering. Det är också vanligt att använda det för att få:

• dubbelriktade tyger;
• designertyger;
• biaxiell och quadroaxial vävnad;
• ovävt tyg;
• enkelriktad tejp;
• prepregs;
• yttre förstärkning;
• fiber;
• selar.

En ganska seriös innovation nu är infrarött varmt golv. I det här fallet används materialet som en ersättning för den traditionella metalltråden. Den kan generera 3 gånger mer värme, dessutom minskar energiförbrukningen med ca 50%. Älskare av att modellera komplexa tekniker använder ofta kolrör som erhålls genom lindning. Dessa produkter efterfrågas också av tillverkare av bilar och annan utrustning. Kolfiber används ofta till till exempel handbromsar. Baserat på detta material får du också:

• delar till flygplansmodeller;
• huvar i ett stycke;
• cyklar;
• delar för trimning av bilar och motorcyklar.

Paneler i koltyg är 18 % styvare än aluminium och 14 % mer än konstruktionsstål... Hylsor baserade på detta material behövs för att erhålla rör och rör med variabelt tvärsnitt, spiralprodukter av olika profiler. De används också för tillverkning och reparation av golfklubbor. Det är också värt att påpeka dess användning. i produktionen av särskilt hållbara fodral för smartphones och andra prylar. Sådana produkter är vanligtvis av premiumkaraktär och har förbättrade dekorativa egenskaper.

När det gäller det dispergerade pulvret av grafittyp behövs det:

• vid mottagning av elektriskt ledande beläggningar;
• när du släpper lim av olika slag;
• vid förstärkning av formar och vissa andra delar.

Kolfiberspackel är bättre än traditionellt spackel på flera sätt. Denna kombination uppskattas av många experter för dess plasticitet och mekaniska styrka. Kompositionen är lämplig för att täcka djupa defekter. Kolstavar eller stavar är starka, lätta och håller länge. Sådant material behövs för:

• flyg;
• raketindustrin;
• frisläppande av sportutrustning.

Genom pyrolys av karboxylsyrasalter kan ketoner och aldehyder erhållas.De utmärkta termiska egenskaperna hos kolfiber gör att den kan användas i värmare och värmekuddar. Sådana värmare:

• ekonomisk;
• pålitlig;
• kännetecknas av imponerande effektivitet;
• sprid inte farlig strålning;
• relativt kompakt;
• perfekt automatiserad;
• fungerar utan onödiga problem;
• sprid inte främmande ljud.

Kol-kol-kompositer används vid tillverkning av:

• stöd för deglar;
• avsmalnande delar för vakuumsmältugnar;
• rörformiga delar till dem.

Ytterligare användningsområden inkluderar:

• hemgjorda knivar;
• användning för en kronbladsventil på motorer;
• användning i konstruktion.

Moderna byggare har länge använt detta material inte bara för extern förstärkning. Det behövs också för att förstärka stenhus och simbassänger. Det limmade förstärkningsskiktet återställer egenskaperna hos stöd och balkar i broar. Det används också när man skapar septiktankar och ramar in naturliga, konstgjorda reservoarer, när man arbetar med en caisson och en silogrop.

I nästa video hittar du mer information om tillverkning av kolfiber.