Všetko o uhlíkových vláknach

Vedieť všetko o uhlíkových vláknach je pre každého moderného človeka veľmi dôležité. Pochopenie technológie výroby uhlíka v Rusku, hustoty a ďalších charakteristík uhlíkových vlákien, bude ľahšie pochopiť rozsah jeho použitia a urobiť správnu voľbu. Okrem toho by ste sa mali dozvedieť všetko o tmeloch a podlahovom kúrení s uhlíkovými vláknami, o zahraničných výrobcoch tohto produktu a o rôznych oblastiach použitia.

Názvy uhlíkové vlákno a uhlíkové vlákno a v mnohých zdrojoch aj uhlíkové vlákno sú veľmi bežné. Ale predstava o skutočných vlastnostiach týchto materiálov a možnostiach ich použitia je pre mnohých ľudí úplne iná. Z technického hľadiska tento materiál je zostavený z nití s ​​prierezom nie menším ako 5 a nie väčším ako 15 mikrónov... Takmer celá kompozícia je tvorená atómami uhlíka – odtiaľ názov. Samotné tieto atómy sú zoskupené do ostrých kryštálov, ktoré tvoria paralelné línie.

Tento dizajn poskytuje veľmi vysokú pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákno nie je úplne nový vynález. Prvé vzorky podobného materiálu dostal a použil Edison. Neskôr, v polovici dvadsiateho storočia, uhlíkové vlákno zažilo renesanciu – a odvtedy sa jeho používanie neustále zvyšuje.

Najdôležitejšou charakteristikou uhlíkových vlákien zostáva jeho výnimočná tepelná odolnosť... Aj keď sa látka zahreje na 1600 - 2000 stupňov, potom sa pri absencii kyslíka v prostredí jej parametre nezmenia. Hustota tohto materiálu je spolu s obvyklou tiež lineárna (meraná v tzv. tex). Pri lineárnej hustote 600 tex bude hmotnosť 1 km tkaniny 600 g. V mnohých prípadoch je kriticky dôležitý aj modul pružnosti materiálu, alebo, ako sa hovorí, Youngov modul.

Pre vysokopevnostné vlákno sa toto číslo pohybuje od 200 do 250 GPa. Vysokomodulové uhlíkové vlákno vyrobené na báze PAN má modul pružnosti približne 400 GPa. Pre roztoky z tekutých kryštálov sa tento parameter môže meniť od 400 do 700 GPa. Modul pružnosti sa vypočíta na základe odhadu jeho hodnoty pri naťahovaní jednotlivých kryštálov grafitu. Orientácia atómových rovín sa stanoví pomocou rôntgenovej difrakčnej analýzy.

Predvolené povrchové napätie je 0,86 N/m. Pri spracovaní materiálu na získanie vlákna z kovového kompozitu sa toto číslo zvýši na 1,0 N / m. Meranie metódou kapilárneho vzostupu pomáha určiť zodpovedajúci parameter. Teplota topenia vlákien na báze ropných smolov je 200 stupňov. Odstreďovanie prebieha pri asi 250 stupňoch; teplota topenia iných typov vlákien priamo závisí od ich zloženia.

Maximálna šírka uhlíkových tkanín závisí od technologických požiadaviek a nuancií. U mnohých výrobcov je to 100 alebo 125 cm. Pokiaľ ide o axiálnu pevnosť, bude sa rovnať:

• pre vysokopevnostné výrobky na báze PAN od 3000 do 3500 MPa;
• pre vlákna s výrazným predĺžením, striktne 4500 MPa;
• pre vysokomodulový materiál od 2000 do 4500 MPa.

Teoretické výpočty stability kryštálu pri ťahovej sile smerom k atómovej rovine mriežky poskytujú odhadovanú hodnotu 180 GPa.Predpokladaný praktický limit je 100 GPa. Experimenty však zatiaľ nepotvrdili prítomnosť hladiny vyššej ako 20 GPa. Skutočná pevnosť uhlíkových vlákien je obmedzená jeho mechanickými chybami a nuansami výrobného procesu. Pevnosť v ťahu profilu s dĺžkou 1/10 mm stanovená v praktických štúdiách bude od 9 do 10 GPa.

Špeciálnu pozornosť si zaslúži uhlíkové vlákno T30. Tento materiál sa používa najmä pri výrobe prútov. Toto riešenie sa vyznačuje ľahkosťou a vynikajúcou vyváženosťou. Index T30 označuje modul pružnosti 30 ton.

Uhlíkové vlákno môže byť vyrobené zo širokej škály typov polymérov. Spôsob spracovania určuje dva hlavné typy takýchto materiálov - karbonizované a grafitizované typy. Existuje dôležitý rozdiel medzi vláknami odvodenými z PAN a rôznymi typmi smoly. Kvalitné uhlíkové vlákna v triede vysokej pevnosti a vysokého modulu môžu mať rozdielne úrovne tvrdosti a modulu. Je zvykom odkazovať ich na rôzne značky.

Vlákna sa vyrábajú vo formáte vlákna alebo zväzku. Sú tvorené z 1000 až 10000 nekonečných vlákien. Tkanivá z týchto vlákien môžu byť tiež vyrobené ako kúdele (v tomto prípade je počet vlákien ešte väčší). Východiskovou surovinou sú nielen jednoduché vlákna, ale aj smoly z tekutých kryštálov, ako aj polyakrylonitril. Výrobný proces zahŕňa najskôr výrobu pôvodných vlákien a potom ich zahrievanie na vzduchu na 200 - 300 stupňov.

V prípade PAN sa tento proces nazýva predúprava alebo zvýšenie požiarnej odolnosti. Po takomto postupe získava smola takú dôležitú vlastnosť, akou je vylúhovateľnosť. Vlákna sú čiastočne oxidované. Spôsob ďalšieho ohrevu určuje, či budú patriť do karbonizovanej alebo grafitizovanej skupiny. Koniec práce znamená dať povrchu potrebné vlastnosti, po ktorých je dokončená alebo dimenzovaná.

Oxidácia na vzduchu zvyšuje požiarnu odolnosť nielen v dôsledku oxidácie. Prínos nie je len čiastočnou dehydrogenáciou, ale aj medzimolekulovým zosieťovaním a ďalšími procesmi. Okrem toho sa znižuje náchylnosť materiálu na tavenie a prchavosť atómov uhlíka. Karbonizáciu (vo vysokoteplotnej fáze) sprevádza splyňovanie a únik všetkých cudzích atómov.

Ich následná karbonizácia prebieha v dusíkovom prostredí pri 1000 - 1500 stupňoch. Optimálna úroveň ohrevu je podľa mnohých technológov 1200 - 1400 stupňov. Vlákno s vysokým modulom sa bude musieť zahriať až na približne 2500 stupňov. V prípravnom štádiu získava PAN rebríkovú mikroštruktúru. Za jej vznik je "zodpovedná" kondenzácia na intramolekulárnej úrovni sprevádzaná objavením sa polycyklickej aromatickej látky.

Čím viac teplota stúpa, tým väčšia bude štruktúra cyklického typu. Po ukončení tepelného spracovania podľa technológie je usporiadanie molekúl alebo aromatických fragmentov také, že hlavné osi budú rovnobežné s osou vlákna. Napätie zabraňuje poklesu stupňa orientácie. Špecifické vlastnosti rozkladu PAN počas tepelného spracovania sú určené koncentráciou očkovaných monomérov. Každý typ takýchto vlákien určuje počiatočné podmienky spracovania.

Smola z tekutých kryštálov sa musí dlhodobo uchovávať pri teplotách od 350 do 400 stupňov. Tento režim povedie ku kondenzácii polycyklických molekúl. Ich hmotnosť sa zvyšuje a postupne dochádza k zlepovaniu (s tvorbou sférolitov). Ak sa zahrievanie nezastaví, sférolity rastú, zvyšuje sa molekulová hmotnosť a výsledkom je vytvorenie súvislej kvapalnej kryštalickej fázy. Kryštály sú príležitostne rozpustné v chinolíne, ale zvyčajne sa nerozpustia ani v ňom, ani v pyridíne (závisí to od nuansy technológie).

Vlákna získané zo smoly tekutých kryštálov s 55 - 65 % tekutých kryštálov plasticky tečú. Odstreďovanie sa vykonáva pri 350 - 400 stupňoch. Prvotným zahriatím vo vzduchovej atmosfére na 200 - 350 stupňov a následným držaním v inertnej atmosfére vzniká vysoko orientovaná štruktúra. Vlákna značky Thornel P-55 sa musia zahriať až na 2000 stupňov, čím vyšší je modul pružnosti, tým vyššia by mala byť teplota.

Vedecké a inžinierske práce v poslednej dobe venujú čoraz väčšiu pozornosť technológii využívajúcej hydrogenáciu. Počiatočná výroba vlákien sa často uskutočňuje hydrogenáciou zmesi uhoľného dechtu a naftalovej gumy. V tomto prípade by mal byť prítomný tetrahydrochinolín. Teplota spracovania je 380 - 500 stupňov. Pevné látky možno odstrániť filtráciou a odstredením; potom sa smoly zahustia pri zvýšenej teplote. Na výrobu uhlíka je potrebné použiť (v závislosti od technológie) rôzne zariadenia:

• vrstvy, ktoré rozdeľujú vákuum;
• čerpadlá;
• tesniace postroje;
• pracovné stoly;
• pasce;
• vodivá sieťovina;
• vákuové filmy;
• predimpregnované lamináty;
• autoklávy.

Na globálnom trhu vedú títo výrobcovia uhlíkových vlákien:

• Thornell, Fortafil a Celion (Spojené štáty americké);
• Grafil a Modmore (Anglicko);
• Kureha-Lone a Toreika (Japonsko);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Dnes sa uhlík vyrába v Rusku:

• Čeľabinský závod na výrobu uhlíkových a kompozitných materiálov;
• Balakovo Carbon Production;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Saratovský podnik „ŠTART“.

Uhlíkové vlákno sa používa na výrobu kompozitnej výstuže. Bežne sa používa aj na získanie:

• obojsmerné tkaniny;
• dizajnérske látky;
• biaxiálne a quadroaxiálne tkanivo;
• netkaná látka;
• jednosmerná páska;
• predimpregnované lamináty;
• vonkajšia výstuž;
• vlákno;
• postroje.

Teraz je to dosť vážna inovácia infračervená teplá podlaha. V tomto prípade sa materiál používa ako náhrada za tradičný kovový drôt. Dokáže vygenerovať 3x viac tepla, navyše spotreba energie sa zníži asi o 50%. Milovníci modelárskych zložitých techník často využívajú uhlíkové trubice získané navíjaním. Tieto produkty sú žiadané aj výrobcami automobilov a iných zariadení. Uhlíkové vlákno sa často používa napríklad na ručné brzdy. Na základe tohto materiálu sa tiež získa:

• Časti pre modely lietadiel;
• jednodielne kapucne;
• bicykle;
• diely pre tuning áut a motocyklov.

Panely z uhlíkovej tkaniny sú o 18 % tuhšie ako hliník a o 14 % viac ako konštrukčná oceľ... Rukávy založené na tomto materiáli sú potrebné na získanie rúr a rúrok s premenlivým prierezom, špirálových výrobkov rôznych profilov. Používajú sa aj na výrobu a opravu golfových palíc. Za zmienku stojí aj jeho využitie. pri výrobe obzvlášť odolných puzdier pre smartfóny a iné gadgety. Takéto výrobky sú zvyčajne prémiového charakteru a majú vylepšené dekoratívne vlastnosti.

Pokiaľ ide o prášok rozptýleného grafitu, je potrebné:

• pri prijímaní elektricky vodivých povlakov;
• pri uvoľňovaní lepidla rôznych typov;
• pri vystužovaní foriem a niektorých ďalších dielov.

Tmel z uhlíkových vlákien je v mnohých ohľadoch lepší ako tradičný tmel. Túto kombináciu oceňujú mnohí odborníci pre jej plasticitu a mechanickú pevnosť. Kompozícia je vhodná na prekrytie hlbokých defektov. Karbónové prúty alebo prúty sú pevné, ľahké a majú dlhú životnosť. Takýto materiál je potrebný na:

• letectvo;
• raketový priemysel;
• uvoľnenie športového vybavenia.

Pyrolýzou solí karboxylových kyselín možno získať ketóny a aldehydy.Vynikajúce tepelné vlastnosti uhlíkového vlákna umožňujú jeho použitie v ohrievačoch a vyhrievacích podložkách. Takéto ohrievače:

• ekonomický;
• spoľahlivý;
• vyznačujú sa pôsobivou účinnosťou;
• nešírte nebezpečné žiarenie;
• relatívne kompaktný;
• dokonale automatizované;
• prevádzkované bez zbytočných problémov;
• nešírte cudzí hluk.

Kompozity uhlík-uhlík sa používajú pri výrobe:

• podpery pre tégliky;
• kužeľové časti pre vákuové taviace pece;
• rúrkové diely pre ne.

Ďalšie oblasti použitia zahŕňajú:

• domáce nože;
• použitie pre okvetný lístok na motoroch;
• použitie v stavebníctve.

Moderní stavitelia už dlho používajú tento materiál nielen na vonkajšie vystuženie. Je tiež potrebné posilniť kamenné domy a bazény. Lepená výstužná vrstva obnovuje kvality podpier a nosníkov v mostoch. Používa sa aj pri vytváraní septikov a rámovaní prírodných, umelých nádrží, pri práci s kesónom a silojamou.

V ďalšom videu nájdete viac informácií o výrobe uhlíkových vlákien.