Ανθρακονήματα - Υλικό Μαύρος Χρυσός, Με Υψηλά Εμπόδια Βιομηχανίας και Υψηλή Προστιθέμενη Αξία Προϊόντος

1. Οι ίνες άνθρακα είναι άκαμπτες και εύκαμπτες και χρησιμοποιούνται ευρέως σε κατάντη εφαρμογές

Η ιστορία της υλικής ανάπτυξης συνδέεται στενά με την ιστορία της ανθρώπινης ανάπτυξης και τα νέα υλικά είναι μια ισχυρή κινητήρια δύναμη για την ανθρωπότητα να μετακινηθεί από το «φυσικό βασίλειο» στην «ελευθερία». Τα υλικά ορίζονται συνήθως ως ουσίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή χρήσιμων αντικειμένων και η ικανότητα του ανθρώπου να αναγνωρίζει και να χρησιμοποιεί υλικά καθορίζει άμεσα την κοινωνική μορφή και το ανθρώπινο βιοτικό επίπεδο. Στη σύγχρονη εποχή, τα υλικά, η ενέργεια και η πληροφορία έχουν γίνει οι τρεις πυλώνες του κοινωνικού πολιτισμού και της εθνικής οικονομίας, και μεταξύ αυτών, τα υλικά αποτελούν την υλική βάση και τον τεχνολογικό ηγέτη της ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας.

Σε όλη την ιστορία της ανάπτυξης υλικών, μπορεί να συνοψιστεί σε έξι περιόδους ανάπτυξης λίθινων εργαλείων/χάλκινων εργαλείων/σιδηροεργαλείων/χάλυβα/πυριτίου/νέων υλικών από άποψη χρόνου. Μεταξύ αυτών, με το άνοιγμα της νέας τεχνολογικής επανάστασης στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, τα νέα υλικά έχουν γίνει ενισχυτικό για την ανάπτυξη διαφόρων τομέων υψηλής τεχνολογίας. Για παράδειγμα, η τεχνολογία υπολογιστών βασίζεται στη βιομηχανική παραγωγή υλικών ημιαγωγών και η αεροδιαστημική βιομηχανία απαιτεί μεγάλο αριθμό δομικών υλικών υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής αντοχής. Συνδυάζεται με αυτό και η σύγχρονη επικοινωνία οπτικών ινών βασίζεται σε οπτικές ίνες χαμηλής κατανάλωσης.

Το ανθρακονήματα, γνωστό ως ο βασιλιάς των νέων υλικών στον 21ο αιώνα, είναι ένα λαμπερό κόσμημα στο υλικό στέμμα. Οι ίνες άνθρακα (CF για συντομία) είναι μια ανόργανη ίνα με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 90 τοις εκατό. Παρασκευάζεται με πυρόλυση και ενανθράκωση οργανικών ινών (ίνες με βάση βισκόζης, πίσσα, βάση πολυακρυλονιτριλίου κ.λπ.) σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας για να σχηματιστεί ένας μηχανισμός κορμού άνθρακα. Ως νέα γενιά ενισχυτικών ινών, οι ίνες άνθρακα έχουν εξαιρετικές μηχανικές και χημικές ιδιότητες, όχι μόνο έχουν τα εγγενή χαρακτηριστικά των υλικών άνθρακα, αλλά και την απαλή επεξεργασιμότητα των υφαντικών ινών, επομένως χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, τον ενεργειακό εξοπλισμό, τις μεταφορές. Αθλητισμός. Αναψυχή και άλλοι τομείς:

Ελαφρύ: Ως νέο στρατηγικό υλικό με εξαιρετική απόδοση, η πυκνότητα των ινών άνθρακα είναι βασικά ίδια με αυτή του μαγνησίου και του βηρυλλίου και είναι μικρότερη από το 1/4 της πυκνότητας του χάλυβα. Η χρήση σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα ως δομικό υλικό μπορεί να μειώσει τη δομική μάζα κατά 30 τοις εκατό -40 τοις εκατό .

Υψηλή αντοχή και υψηλός συντελεστής: Η ειδική αντοχή των ανθρακονημάτων είναι 5 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα και 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του κράματος αλουμινίου. ο συγκεκριμένος συντελεστής είναι 1.3-12.3 φορές αυτός των άλλων δομικών υλικών.

Μικρός συντελεστής διαστολής: Ο συντελεστής θερμικής διαστολής των περισσότερων ινών άνθρακα είναι αρνητικός σε θερμοκρασία δωματίου, 0 σε 200-400 βαθμό , και μόνο 1,5 × 10-6 /K όταν είναι μικρότερος από 1000 μοίρες , έτσι δεν είναι εύκολο να διαστέλλεται και να παραμορφώνεται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας εργασίας.

Καλή αντοχή στη χημική διάβρωση: Οι ίνες άνθρακα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε καθαρό άνθρακα και ο άνθρακας είναι ένα από τα πιο σταθερά χημικά στοιχεία, γεγονός που το καθιστά πολύ σταθερό σε όξινα και αλκαλικά περιβάλλοντα και μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορα χημικά αντιδιαβρωτικά προϊόντα.

Ισχυρή αντοχή στην κόπωση: Η δομή από ανθρακονήματα είναι σταθερή. Σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία του δικτύου πολυμερών, ο ρυθμός συγκράτησης της αντοχής του σύνθετου υλικού εξακολουθεί να είναι 60 τοις εκατό μετά από εκατομμύρια κύκλους καταπόνησης, σε σύγκριση με 40 τοις εκατό για τον χάλυβα, 30 τοις εκατό για το αλουμίνιο και 30 τοις εκατό για το πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού. Τότε μόνο 20 τοις εκατό -25 τοις εκατό .

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα ενισχύονται εκ νέου με βάση ανθρακονήματα. Αν και οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνες τους και να επιτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες, είναι τελικά ένα εύθραυστο υλικό. Μόνο όταν συνδυάζεται με το υλικό μήτρας για να σχηματίσει ένα σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα μπορεί να ασκήσει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και να μεταφέρει περισσότερα φορτία.

Οι ίνες άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διαφορετικές διαστάσεις όπως ο τύπος του προδρόμου, η μέθοδος κατασκευής και η απόδοση:

Ανάλογα με τον τύπο του ακατέργαστου μεταξιού: με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), με βάση την πίσσα (ισότροπο, μεσόφαση). με βάση βισκόζη (με βάση την κυτταρίνη, με βάση το ρεγιόν). Μεταξύ αυτών, οι ίνες άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN) καταλαμβάνουν την κύρια θέση, με την παραγωγή να αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 90 τοις εκατό των συνολικών ινών άνθρακα και οι ίνες άνθρακα με βάση τη βισκόζη είναι λιγότερο από 1 τοις εκατό .

Ταξινόμηση σύμφωνα με τις συνθήκες και τις μεθόδους κατασκευής: ίνα άνθρακα (800-1600 βαθμός ), ίνα γραφίτη (2000-3000 βαθμός ), ίνα ενεργού άνθρακα, ίνα άνθρακα που αναπτύσσεται με ατμό.

Σύμφωνα με τις μηχανικές ιδιότητες, μπορεί να χωριστεί σε τύπο γενικής χρήσης και τύπο υψηλής απόδοσης: η ίνα άνθρακα γενικής χρήσης έχει αντοχή 1000 MPa και συντελεστή περίπου 100 GPa, στην οποία ονομάζεται επίσης η αντοχή μεγαλύτερη από 4000 MPa ο τύπος εξαιρετικά υψηλής αντοχής και ο συντελεστής μεγαλύτερος από 450 GPa ονομάζεται μοντέλο εξαιρετικά υψηλής αντοχής.

Ανάλογα με το μέγεθος της ρυμούλκησης, μπορεί να χωριστεί σε μικρή ρυμούλκηση και μεγάλη ρυμούλκηση: οι μικρές ίνες άνθρακα είναι κυρίως 1K, 3K, 6K στο αρχικό στάδιο και σταδιακά εξελίσσονται σε 12K και 24K, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως στην αεροδιαστημική, γήπεδα αθλητισμού και αναψυχής. Οι ίνες άνθρακα άνω των 48Κ ονομάζονται συνήθως μεγάλες ίνες άνθρακα ρυμούλκησης, συμπεριλαμβανομένων των 48Κ, 60Κ, 80Κ κ.λπ., οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικούς τομείς.

Η αντοχή εφελκυσμού και ο συντελεστής εφελκυσμού είναι οι δύο πιο σημαντικοί δείκτες για τη μέτρηση της απόδοσης των ινών άνθρακα. Με βάση αυτό, η χώρα μου εξέδωσε το "Εθνικό Πρότυπο για Ίνες άνθρακα με βάση πολυακρυλονιτρίλιο (PAN) (GB/T26752-2011)" το 2011. Ταυτόχρονα, επειδή η Toray της Ιαπωνίας κατέχει απόλυτο ηγετικό πλεονέκτημα στον παγκόσμιο βιομηχανία ανθρακονημάτων, οι περισσότεροι εγχώριοι κατασκευαστές υιοθετούν επίσης το πρότυπο ταξινόμησης του Toray της Ιαπωνίας ως αναφορά.

2. Υψηλά τεχνικά εμπόδια στη βιομηχανία, η παραγωγή ακατέργαστου μεταξιού είναι ο πυρήνας, η ενανθράκωση και η οξείδωση είναι το κλειδί

Η διαδικασία παραγωγής ανθρακονημάτων είναι πολύπλοκη και απαιτεί εξαιρετικά υψηλό εξοπλισμό και τεχνολογία. Ο έλεγχος της ακρίβειας, της θερμοκρασίας και του χρόνου κάθε συνδέσμου θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Η ίνα άνθρακα πολυακρυλονιτριλίου έχει γίνει η ίνα άνθρακα με το ευρύτερο πεδίο εφαρμογής και την υψηλότερη απόδοση σε αυτό το στάδιο λόγω της σχετικά απλής διαδικασίας προετοιμασίας, του χαμηλού κόστους παραγωγής και της εύκολης διάθεσης τριών απορριμμάτων. Η κύρια πρώτη ύλη του, το προπάνιο, μπορεί να ληφθεί από αργό πετρέλαιο και η αλυσίδα βιομηχανίας ανθρακονημάτων πολυακρυλονιτριλίου περιλαμβάνει μια πλήρη διαδικασία παραγωγής από την πρωτογενή ενέργεια έως τις εφαρμογές τελικής χρήσης.

Μετά την παρασκευή προπανίου από αργό πετρέλαιο, το προπάνιο μπορεί να ληφθεί με επιλεκτική καταλυτική αφυδρογόνωση (PDH).

Το ακρυλονιτρίλιο λαμβάνεται μετά από αμμοξείδωση του προπυλενίου και ο πρόδρομος πολυακρυλονιτριλίου (PAN) λαμβάνεται μετά από πολυμερισμό ακρυλονιτριλίου και περιδίνηση.

Το πολυακρυλονιτρίλιο προ-οξειδώνεται, ανθρακώνεται σε χαμηλή θερμοκρασία και υψηλή θερμοκρασία για να ληφθούν ανθρακονήματα και μπορεί να κατασκευαστεί σε ύφασμα από ανθρακονήματα και προεμποτισμό ινών άνθρακα για την παραγωγή σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα.

Οι ίνες άνθρακα συνδυάζονται με ρητίνη, κεραμικά και άλλα υλικά για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και τελικά τα τελικά προϊόντα που απαιτούνται από τις κατάντη εφαρμογές λαμβάνονται με διάφορες διαδικασίες χύτευσης.

Η ποιότητα και το επίπεδο απόδοσης του προδρόμου καθορίζουν άμεσα την τελική απόδοση των ανθρακονημάτων. Ως εκ τούτου, η βελτίωση της ποιότητας του περιστρεφόμενου διαλύματος και η βελτιστοποίηση των διαφόρων παραγόντων του σχηματισμού πρόδρομων ινών έχουν γίνει οι βασικοί κόμβοι στην παρασκευή ινών άνθρακα υψηλής ποιότητας.

Σύμφωνα με την «Έρευνα για τη Διαδικασία Παραγωγής Πρόδρομου Ινών Άνθρακα με βάση το Πολυακρυλονιτρίλιο», η διαδικασία κλώσης περιλαμβάνει κυρίως τρεις κατηγορίες: υγρή κλώση, ξηρή κλώση και ξηρή-υγρή κλώση. Επί του παρόντος, η διαδικασία παραγωγής πρόδρομων ουσιών πολυακρυλονιτριλίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό υιοθετεί κυρίως την υγρή κλώση και την ξηρή-υγρή κλώση, μεταξύ των οποίων η υγρή κλώση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη.

Στην υγρή κλώση, το περιστρεφόμενο διάλυμα εξωθείται πρώτα από την οπή του κλωστήρα και το περιστρεφόμενο διάλυμα εισέρχεται στο λουτρό πήξης με τη μορφή λεπτού ρεύματος. Ο μηχανισμός περιδίνησης του διαλύματος περιδίνησης πολυακρυλονιτριλίου είναι: υπάρχει ένα μεγάλο κενό μεταξύ της συγκέντρωσης του DMSO (διμεθυλοσουλφοξείδιο) στο περιστρεφόμενο διάλυμα και στο λουτρό πήξης, και η συγκέντρωση του νερού στο λουτρό πήξης και το διάλυμα πολυακρυλονιτριλίου είναι επίσης τεράστια. χάσμα. Κάτω από την αλληλεπίδραση των δύο παραπάνω διαφορών συγκέντρωσης, τα υγρά αρχίζουν να διαχέονται και προς τις δύο κατευθύνσεις και τελικά συμπυκνώνονται σε νήματα μέσω διεργασιών όπως μεταφορά μάζας, μεταφορά θερμότητας και κίνηση ισορροπίας φάσης.

Το υπολειμματικό DMSO, η λεπτότητα, η αντοχή των μονονημάτων, ο συντελεστής, η επιμήκυνση, η περιεκτικότητα σε λάδι και η συρρίκνωση του βραστού νερού στην παραγωγή ακατέργαστου μεταξιού γίνονται οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα του ακατέργαστου μεταξιού. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την υπολειπόμενη ποσότητα DMSO, έχει επίδραση στις φαινομενικές ιδιότητες του προδρόμου, στην κατάσταση διατομής και στην τιμή CV του τελικού προϊόντος από ίνες άνθρακα. Όσο μικρότερη είναι η υπολειπόμενη ποσότητα DMSO, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση του προϊόντος. Στην παραγωγή, το DMSO αφαιρείται κυρίως με το πλύσιμο, οπότε ο τρόπος ελέγχου της θερμοκρασίας πλύσης, του χρόνου, της ποσότητας αφαλατωμένου νερού και της ποσότητας κυκλοφορίας πλύσης γίνεται ένας σημαντικός σύνδεσμος.

Οι πρόδρομες ουσίες πολυακρυλονιτριλίου υψηλής ποιότητας πρέπει να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: υψηλή πυκνότητα, υψηλή κρυσταλλικότητα, κατάλληλη αντοχή, κυκλική διατομή, λιγότερα φυσικά ελαττώματα και ταυτόχρονα λεία επιφάνεια και ομοιόμορφη και πυκνή δομή του πυρήνα του δέρματος.

Ο έλεγχος θερμοκρασίας της ενανθράκωσης και της οξείδωσης είναι το κλειδί. Η ενανθράκωση και η οξείδωση είναι ένας ουσιαστικός κρίκος στην παραγωγή ακατέργαστου μεταξιού σε τελικά προϊόντα από ανθρακονήματα. Σε αυτόν τον σύνδεσμο, η ακρίβεια και το εύρος της θερμοκρασίας πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια, διαφορετικά η αντοχή εφελκυσμού των προϊόντων από ανθρακονήματα θα επηρεαστεί σημαντικά και θα προκληθεί ακόμη και θραύση του σύρματος:

Προ-οξείδωση (200-300 βαθμός ): Στη διαδικασία προοξείδωσης, εφαρμόζοντας μια ορισμένη τάση σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα, ο πρόδρομος PAN οξειδώνεται αργά και ήπια και σχηματίζεται ένας μεγάλος αριθμός δομών με δακτύλιο. η βάση της ευθείας αλυσίδας PAN, έτσι ώστε να μπορεί να αντέξει τον σκοπό της επεξεργασίας υψηλότερης θερμοκρασίας.

Ενανθράκωση (μέγιστη θερμοκρασία όχι χαμηλότερη από 1000 βαθμούς): Η διαδικασία ενανθράκωσης πρέπει να πραγματοποιηθεί σε αδρανή ατμόσφαιρα. Στο πρώιμο στάδιο της ενανθράκωσης, η ευθεία αλυσίδα του PAN σπάει και αρχίζει η αντίδραση διασύνδεσης. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται σταδιακά, αρχίζει η αντίδραση θερμικής αποσύνθεσης, απελευθερώνοντας μια μεγάλη ποσότητα μικρού μοριακού αερίου και η δομή του γραφίτη αρχίζει να σχηματίζεται. μετά την περαιτέρω άνοδο της θερμοκρασίας, η περιεκτικότητα σε άνθρακα αυξάνεται γρήγορα και η ίνα άνθρακα αρχίζει να σχηματίζεται.

Γραφιτοποίηση (θερμοκρασία επεξεργασίας πάνω από 2000 βαθμούς): Η γραφιτοποίηση δεν είναι μια απαραίτητη διαδικασία για την παραγωγή ανθρακονημάτων, αλλά ένας προαιρετικός σύνδεσμος. Εάν η ίνα άνθρακα αναμένεται να έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας, απαιτείται γραφιτοποίηση. Εάν η ίνα άνθρακα αναμένεται να αποκτήσει υψηλή αντοχή, δεν απαιτείται γραφιτοποίηση. Στη διαδικασία γραφιτοποίησης, η υψηλή θερμοκρασία προκαλεί το σχηματισμό μιας ανεπτυγμένης δομής πλέγματος γραφίτη μέσα στην ίνα και η δομή κανονικοποιείται με σχέδιο για να ληφθεί το τελικό προϊόν.

Τα υψηλά τεχνικά εμπόδια προσδίδουν στα κατάντη προϊόντα υψηλή προστιθέμενη αξία και η τιμή των σύνθετων υλικών της αεροδιαστημικής είναι 200 ​​φορές υψηλότερη από αυτή του ακατέργαστου μεταξιού. Λόγω της υψηλής δυσκολίας της προετοιμασίας των ανθρακονημάτων και της πολύπλοκης διαδικασίας, όσο πιο κατάντη είναι τα προϊόντα της, τόσο μεγαλύτερη είναι η προστιθέμενη αξία, ειδικά τα υψηλής ποιότητας σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα που χρησιμοποιούνται στον αεροδιαστημικό τομέα. Επειδή οι κατάντη πελάτες έχουν πολύ αυστηρές απαιτήσεις αξιοπιστίας και σταθερότητας, η τιμή του προϊόντος είναι επίσης γεωμετρικά αυξημένη σε σύγκριση με τα συνηθισμένα ανθρακονήματα.