Kohlefaser, im 21. Jahrhundert als König der neuen Materialien bekannt, ist eine leuchtende Perle unter den Materialien.Kohlenstofffasern (CF) sind anorganische Fasern mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 %.Organische Fasern (Viskose-, Pech-, Polyacrylnitril-basierte Fasern usw.) werden bei hoher Temperatur pyrolysiert und karbonisiert, um ein Kohlenstoffrückgrat zu bilden.
Als eine neue Generation verstärkter Fasern verfügt Kohlenstofffaser über hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften.Es verfügt nicht nur über die inhärenten Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien, sondern auch über die Weichheit und Verarbeitbarkeit von Textilfasern.Daher wird es häufig in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Energieausrüstung, Transport, Sport und Freizeit eingesetzt
Geringes Gewicht: Als strategisches neues Material mit hervorragender Leistung ist die Dichte von Kohlefaser fast die gleiche wie die von Magnesium und Beryllium, weniger als 1/4 der von Stahl.Durch den Einsatz von Kohlefaserverbundwerkstoff als Strukturmaterial kann das Strukturgewicht um 30–40 % reduziert werden.
Hohe Festigkeit und hoher Modul: Die spezifische Festigkeit von Kohlefaser ist fünfmal höher als die von Stahl und viermal höher als die von Aluminiumlegierungen;Der spezifische Modul beträgt das 1,3- bis 12,3-fache des Werts anderer Strukturmaterialien.
Kleiner Ausdehnungskoeffizient: Der Wärmeausdehnungskoeffizient der meisten Kohlenstofffasern ist bei Raumtemperatur negativ, bei 200–400 ℃ 0 und bei weniger als 1000 ℃ × 10–6 / K nur 1,5 und lässt sich aufgrund der hohen Umformung nicht leicht ausdehnen und verformen Temperatur.
Gute chemische Korrosionsbeständigkeit: Kohlenstofffasern haben einen hohen reinen Kohlenstoffgehalt und Kohlenstoff ist eines der stabilsten chemischen Elemente, was zu einer sehr stabilen Leistung in sauren und alkalischen Umgebungen führt, die zu allen Arten chemischer Korrosionsschutzprodukte verarbeitet werden können.
Starke Ermüdungsbeständigkeit: Die Struktur der Kohlefaser ist stabil.Nach den Statistiken des Polymernetzwerks beträgt die Festigkeitserhaltungsrate des Verbundwerkstoffs nach Millionen von Belastungsermüdungstestzyklen immer noch 60 %, während die von Stahl 40 %, von Aluminium 30 % und von glasfaserverstärktem Kunststoff nur 20 % beträgt % – 25 %.
Kohlefaserverbundwerkstoff ist die Verstärkung von Kohlefasern.Obwohl Kohlefaser allein verwendet werden kann und eine bestimmte Funktion erfüllt, ist sie doch ein sprödes Material.Erst wenn es mit dem Matrixmaterial zu einem Kohlefaserverbundwerkstoff kombiniert wird, kann es seine mechanischen Eigenschaften besser zur Geltung bringen und höhere Belastungen tragen.
Kohlenstofffasern können nach verschiedenen Dimensionen wie Vorläufertyp, Herstellungsverfahren und Leistung klassifiziert werden
Je nach Art des Vorläufers: auf Polyacrylnitrilbasis (Pan), auf Pechbasis (isotrop, Mesophase);Viskosebasis (Zellulosebasis, Viskosebasis).Unter ihnen nehmen Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis (Pan) die Hauptposition ein, und ihre Produktion macht mehr als 90 % der gesamten Kohlenstofffasern aus, während Kohlenstofffasern auf Viskosebasis weniger als 1 % ausmachen.
Je nach Herstellungsbedingungen und -methoden: Kohlefaser (800–1600 ℃), Graphitfaser (2000–3000 ℃), Aktivkohlefaser, dampfgewachsene Kohlefaser.
Entsprechend den mechanischen Eigenschaften kann es in allgemeine Typen und Hochleistungstypen unterteilt werden: Die Festigkeit von Kohlenstofffasern allgemeiner Art beträgt etwa 1000 MPa und der Modul beträgt etwa 100 GPa;Hochleistungstypen können in hochfeste Typen (Festigkeit 2000 mPa, Modul 250 gpa) und Hochmodelle (Modul 300 gpa oder mehr) unterteilt werden, wobei Festigkeiten über 4000 mpa auch als ultrahochfeste Typen bezeichnet werden und Module über 450 gpa liegen sogenanntes Ultra-High-Modell.
Je nach Größe des Schleppseils kann es in kleines Schleppseil und großes Schleppseil unterteilt werden: Kohlefaser für kleine Schleppseile besteht im Anfangsstadium hauptsächlich aus 1K, 3K und 6K und entwickelt sich nach und nach zu 12K und 24K, die hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Sport verwendet werden und Freizeitbereiche.Kohlenstofffasern über 48K werden üblicherweise als große Kohlenstofffasern bezeichnet, einschließlich 48K, 60K, 80K usw., die hauptsächlich in industriellen Bereichen verwendet werden.
Zugfestigkeit und Zugmodul sind zwei Hauptindikatoren zur Bewertung der Eigenschaften von Kohlenstofffasern.Auf dieser Grundlage hat China im Jahr 2011 den nationalen Standard für PAN-basierte Kohlefasern (GB/t26752-2011) erlassen. Gleichzeitig übernehmen die meisten inländischen Hersteller aufgrund des absoluten Führungsvorteils von Toray in der globalen Kohlefaserindustrie auch den Klassifizierungsstandard von Toray Als Referenz.
1.2 Hohe Barrieren bringen einen hohen Mehrwert.Durch die Verbesserung des Prozesses und die Realisierung einer Massenproduktion können die Kosten erheblich gesenkt und die Effizienz gesteigert werden
1.2.1 Die technischen Hürden der Branche sind hoch, die Vorläuferproduktion ist der Kern und die Karbonisierung und Oxidation sind der Schlüssel
Der Herstellungsprozess von Kohlefasern ist komplex und erfordert eine hohe Ausrüstung und Technologie.Die Kontrolle von Präzision, Temperatur und Zeit jeder Verbindung hat großen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts.Aufgrund ihres relativ einfachen Herstellungsverfahrens, der niedrigen Produktionskosten und der bequemen Entsorgung von drei Abfällen ist Polyacrylnitril-Kohlenstofffaser derzeit die am weitesten verbreitete Kohlenstofffaser mit der höchsten Ausbeute.Der Hauptrohstoff Propan kann aus Rohöl hergestellt werden, und die PAN-Kohlenstofffaser-Industriekette umfasst einen kompletten Herstellungsprozess von der Primärenergie bis zur Endanwendung.
Nachdem Propan aus Rohöl hergestellt wurde, wurde Propylen durch selektive katalytische Dehydrierung (PDH) von Propan gewonnen;
Acrylnitril wurde durch Ammoxidation von Propylen gewonnen.Der Polyacrylnitril-Vorläufer (Pan) wurde durch Polymerisation und Spinnen von Acrylnitril erhalten;
Polyacrylnitril wird bei niedriger und hoher Temperatur voroxidiert und karbonisiert, um Kohlenstofffasern zu erhalten, die zu Kohlenstofffasergewebe und Kohlenstofffaser-Prepreg für die Herstellung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen verarbeitet werden können.
Kohlenstofffasern werden mit Harz, Keramik und anderen Materialien zu Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen kombiniert.Schließlich werden durch verschiedene Formverfahren die Endprodukte für nachgelagerte Anwendungen erhalten;
Die Qualität und das Leistungsniveau des Vorprodukts bestimmen direkt die endgültige Leistung der Kohlefaser.Daher werden die Verbesserung der Qualität der Spinnlösung und die Optimierung der Faktoren der Vorläuferbildung zu den Schlüsselpunkten bei der Herstellung hochwertiger Kohlenstofffasern.
Laut „Forschung zum Herstellungsprozess von Kohlenstofffaservorläufern auf Polyacrylnitrilbasis“ umfasst der Spinnprozess hauptsächlich drei Kategorien: Nassspinnen, Trockenspinnen und Trockennassspinnen.Gegenwärtig werden Nassspinnen und Trockennassspinnen hauptsächlich zur Herstellung von Polyacrylnitril-Vorläufern im In- und Ausland verwendet, wobei Nassspinnen am weitesten verbreitet ist.
Beim Nassspinnen wird zunächst die Spinnlösung aus dem Spinndüsenloch extrudiert, und die Spinnlösung gelangt in Form eines kleinen Flusses in das Koagulationsbad.Der Spinnmechanismus der Polyacrylnitril-Spinnlösung besteht darin, dass zwischen der Konzentration von DMSO in der Spinnlösung und dem Koagulationsbad eine große Lücke besteht, und es gibt auch eine große Lücke zwischen der Wasserkonzentration im Koagulationsbad und der Polyacrylnitrillösung.Unter der Wechselwirkung der beiden oben genannten Konzentrationsunterschiede beginnt die Flüssigkeit in zwei Richtungen zu diffundieren und kondensiert schließlich durch Stoffübergang, Wärmeübertragung, Phasengleichgewichtsbewegung und andere Prozesse zu Filamenten.
Bei der Herstellung von Vorläufern sind die Restmenge an DMSO, die Fasergröße, die Monofilamentfestigkeit, der Modul, die Dehnung, der Ölgehalt und die Schrumpfung in kochendem Wasser die Schlüsselfaktoren für die Qualität des Vorläufers.Am Beispiel der Restmenge an DMSO hat sie Einfluss auf die scheinbaren Eigenschaften des Vorläufers, den Querschnittszustand und den CV-Wert des endgültigen Kohlefaserprodukts.Je geringer die Restmenge an DMSO ist, desto höher ist die Leistung des Produkts.In der Produktion wird DMSO hauptsächlich durch Waschen entfernt. Daher ist die Steuerung der Waschtemperatur, der Waschzeit, der Menge an entsalztem Wasser und der Menge des Waschzyklus ein wichtiger Faktor.
Hochwertiger Polyacrylnitril-Vorläufer sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: hohe Dichte, hohe Kristallinität, angemessene Festigkeit, kreisförmiger Querschnitt, weniger physikalische Defekte, glatte Oberfläche und gleichmäßige und dichte Hautkernstruktur.
Die Temperaturkontrolle der Karbonisierung und Oxidation ist der Schlüssel.Die Karbonisierung und Oxidation ist ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von Kohlenstofffaser-Endprodukten aus Vorläufern.In diesem Schritt sollten die Genauigkeit und der Temperaturbereich genau kontrolliert werden, da andernfalls die Zugfestigkeit von Kohlefaserprodukten erheblich beeinträchtigt wird und sogar zu Drahtbrüchen führen kann
Voroxidation (200–300 °C): Im Voroxidationsprozess wird der PAN-Vorläufer langsam und mild oxidiert, indem eine bestimmte Spannung in der oxidierenden Atmosphäre angelegt wird, wodurch eine große Anzahl von Ringstrukturen auf der Basis der geraden Pfannenkette gebildet wird Erreichen Sie den Zweck, einer höheren Temperaturbehandlung standzuhalten.
Karbonisierung (maximale Temperatur nicht unter 1000 °C): Der Karbonisierungsprozess sollte in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden.Im frühen Stadium der Karbonisierung bricht die Pfannenkette und die Vernetzungsreaktion beginnt;Mit steigender Temperatur beginnt die thermische Zersetzungsreaktion, eine große Anzahl kleiner Molekülgase freizusetzen und die Graphitstruktur beginnt sich zu bilden;Bei weiterer Temperaturerhöhung stieg der Kohlenstoffgehalt rasch an und es begann sich die Kohlenstofffaser zu bilden.
Graphitisierung (Behandlungstemperatur über 2000 ℃): Graphitisierung ist kein notwendiger Prozess für die Kohlenstofffaserproduktion, sondern ein optionaler Prozess.Wenn ein hoher Elastizitätsmodul von Kohlenstofffasern erwartet wird, ist eine Graphitierung erforderlich;Wenn eine hohe Festigkeit der Kohlenstofffasern erwartet wird, ist eine Graphitierung nicht erforderlich.Beim Graphitierungsprozess bildet die Faser durch hohe Temperaturen eine entwickelte Graphitnetzstruktur, und die Struktur wird durch Ziehen integriert, um das Endprodukt zu erhalten.
Hohe technische Barrieren verleihen den nachgelagerten Produkten einen hohen Mehrwert, und der Preis für Verbundwerkstoffe für die Luftfahrt ist 200-mal höher als der für Rohseide.Aufgrund der hohen Schwierigkeit der Kohlefaseraufbereitung und des komplexen Prozesses ist die Wertschöpfung umso höher, je weiter nachgelagert die Produkte sind.Insbesondere bei hochwertigen Kohlefaserverbundwerkstoffen, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, weist der Produktpreis im Vergleich zu gewöhnlichen Kohlefasern ein geometrisches Mehrfachwachstum auf, da die nachgelagerten Kunden sehr strenge Anforderungen an deren Zuverlässigkeit und Stabilität stellen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22.07.2021