Как делают углеволокно
Углеродное волокно - Что такое Углеродное волокно?
Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром 3-15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода.
Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу.
Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение.
Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.
Температурная обработка состоит из нескольких этапов.
-
1й этап. Окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов.
В результате окисления образуются лестничные структуры.
-
2й этап. Нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C.
В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.
Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде.
В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.
Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.
УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются.
Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.
На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью.
УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода.
Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-350°С.
Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток.
Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.
Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2•10−3 до 106 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300-1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами.
Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.
Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5-1 ГПа и модуль 20-70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке - прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа.
Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы.
Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон.
На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты.
Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.
УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков.
Из УВМ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники.
На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одежду и обувь.
Углеродный войлок - единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше.
Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок.
Как выплавляют углеволокно для деталей автомобиля?
Углеродное волокно (УВ) – сверхлегкий и прочный материал из которого выплавляют детали автомобилей, самолетов. В Boeing 787 Dreamliner 35 тонн деталей из углеродного волокна. Углеродное волокно теплостойкое – выдерживает 1600–2000 °С. Применяется на заводах, фабриках, в промышленности, исследовательских лабораториях в качестве защитных термостойких экранов или в тканях термокостюмов. Из – за высокой прочности и легкости работы с материалом, им усиливают строительные конструкции, увеличивая несущую способность здания. В потребительских товарах углеродное волокно применяют в кроссовках, рамах велосипедов, теннисных ракетках, клюшках для гольфа, удочках. Богатые люди меблируют туалетные и ванные комнаты унитазами из углеродного волокна за 300 $ и ванными ценой 72 тыс. $.
В серийные автомобили углеволокно попало из автоспорта. В автоспорте, где важен вес автомобиля, детали из легкого углепластика, начали применяться еще 40 лет назад. Вначале углепластик стал появляться в дорогих премиальных моделях McLaren, Corvette, Viper, но с удешевлением появился и в электромобилях, где важен вес машины.
Минус углеволокна в его цене. Цена углеволокна 20 $ за 1 кг (в сочетании с эпоксидной смолой). В сравнении с ценой за рулонную сталь – 1,62 $, углеволокно проигрывает.
Схема формирования цены за углеродное волокно
Как углеволокно делают дешевле
Для снижения производственных издержек автокомпании вступают в сотрудничество с производителями углеволокна:
- Audi и Voith;
- Daimler и Toray Industries;
- Ford и Dow Chemical;
- GM и Teijin;
- Lamborghini, Gallaway Golf и Quantum Composites;
- BMW, Toyota, Volkswagen и немецкая компания SGL Group.
В сентябре 2011 года BMW и SGL построили завод за 100 млн. $ в г. Мозес Лейк, штат Вашингтон, для производства углеродного волокна для автомобилей BMW. Цель BMW была в снижении себестоимости материала, который ранее приходилось покупать в сторонних организациях. В феврале 2011 года VW вторглась в союз BMW и SGL, выкупив 8 % акций компании SGL. В 2012 году Toyota и BMW заключили сделку о том, что их автомобили будут делить одну технологию сверхлегкого кузова авто. В 2015 году BMW и SGL расширили завод в г. Мозес Лейк, понимая, что конкуренции на рынке практически нет.
Стратегия завода в г. МозесЛейк называется вертикальной интеграцией. До BMW и SGL ее уже применял Эндрю Карнеги выплавляя дешевую сталь, и Генри Форд, для строительства доступной модели Ford Model A. Комплекс автомобильного завода Ford River Rouge собирал автомобили из стали, железа, стекла, шин и пластика выплавленных в детали на одной территории.
BMW взял управление выплавкой углеродного волокна в свои руки, устранив посредников, упростив логистику и другие издержки. На заводе BMW выплавляет детали для электрических моделей i3 и i8.
Высокая цена за 1 кг углепластика большей частью связанна с электроэнергией, необходимой для превращения нитей полиакрилонитриловой основы (C3h4N) в цепочку атомов углерода, связанных в кристаллической структуре.
Ветровые турбины и солнечные батареи несомненно снизят цену электроэнергии, но слишком зависят от погоды, чтобы постоянно поддерживать напряжение на заводе-производителе. А вот гидроэнергетика надежна и доступна. Поэтому то BMW и SGL построили завод в штате Вашингтоне. ГЭС на плотине Ванапум, расположенная на реке Колумбия в 65 км от Мозес Лейк, обеспечивает фабрику BMW-SGL электроэнергией стоимостью 2,8 цента за кВт, что на 60 % дешевле, чем средняя по США цена на электричество для промышленных предприятий.
Как выплавляют углеволокно
Другое совместное предприятие – союз между SGL и Mitsubishi Rayon Company – производит полиакрилонитрил в Отаке, Япония. Из полиарилонитрила делают волокна – сырье для углеволокна. Полиакрилонитрил из Отаки доставляют в Мозес Лейк. Там его нагревают при температуре 200 – 300 ℃. В ходе нагревания цвет материала постепенно изменяется от белого до желтого золота, затем медного и, наконец, коричневого цвета, когда из полиакрилонитрила вытесняются атомы водорода и азота. Затем волокна проходят через печь карбонизации лишенной кислорода, температура в которой достигает 1500 – 3100 ℃. Здесь цвет меняется на густо-черный, и образуются аккуратно выровненные кристаллы углерода.
Последующий процесс окисления разъедает поверхность волокон для улучшения связи между углеволокном и смольными материалами, которые будут удерживать тканые волокна на месте. На заключительной стадии производства, автомобильное углеродное волокно покрывается эпоксидной смолой. Затем пятьдесят тысяч прядей вместе наматываются на бобины и создают пряжу, которая называется «бечевка». Намотанным на бобины изготовленное углеродное волокно будет доставлено в Германию. Там, на заводе BMW в Вакерсдорфе бечевка из Мозес Лейк превращается в полотно из углеродного волокна, которое поставляется в Ландсхуд, где плетутся отдельные панели для электрических автомобилей i3 и i8. Обрамление кузова деталями из углеродного волокна проходит в Лейпциге, Германия.
Другие методики выплавки деталей из композитного материала
По себестоимости углеродное волокно BMW и SGL на 1/3 выходит дешевле, чем если бы компания покупала у конкурирующих поставщиков. Другие производители тоже добились успехов в сложных процессах литья композитного материала. Lamborghini и McLaren, для выплавки своих монококов, сейчас перешли на прессование смолы – вместо трудоемкого ручного наслаивания и занимающей много времени процедуры автоклавного затвердевания. Готовая ткань из углеродного волокна, эпоксидная пена и алюминиевые вставки загружаются в открытый, состоящий из нескольких частей формокомплект. Затем формокомплект закрывается, в него вводится точное количество эпоксидной смолы, и необходимая панель затвердевает в течение нескольких минут.
В сотрудничестве с Gallaway Golf, Lamborghini разработал еще одну альтернативу автоклавному прессованию, которая называется ковка композитов. Углеродное волокно и эпоксидная смола сжимаются и вводятся внутрь металлической матрицы, в результате получается легкий материал с низкой пористостью.
Plasan Carbon Composites поставляющая детали из углеродного волокна для Chevrolet Corvette, Viper, Cobra, оптимизировала автоклавный метод. Многоразовый силиконовый навес заменяет плавящиеся пластиковые листы. Никель-картонные матрицы быстро нагреваются и остывают за счет циркуляции масла, что сокращает общее время цикла до 17 минут на одну панель. Новый завод компании Plasan в г. Волкер, штат Мичиган, выплавляет углеродное волокно, которого хватает на 40 тысяч автомобилей в год. Этого достаточно, чтобы поддерживать производство Corvette с интенсивным использованием углеродного волокна, захватив также и Chevrolet Volt.
Национальная лаборатория Oak Ridge, США, установила, что сокращение веса автомобиля на 10 % сокращает расход топлива на 7 %. Т.е. когда углеродное волокно станет дешевле, его станут чаще применять в трех классах автомобилей:
• спортивные;
• гибриды и электромобили, обремененные тяжелыми и дорогими аккумуляторами;
• тяжелые, мощные внедорожники.
Есть и другие способы снижения веса автомобиля, об этом здесь.
Модели с деталями из углеродного волокна
Как производится углеродное волокно
Углеродное волокно, также называемое графитовым волокном или углеродным графитом, состоит из очень тонких нитей углеродного элемента. Углеродные волокна обладают высокой прочностью на растяжение и очень прочны для своего размера. Это также очень легкий материал .
Каждое волокно диаметром 5-10 мкм . Чтобы дать представление о том, насколько это мало, один микрон равен 0,0001 миллиметра. Одна нить паутинного шелка составляет от 3 до 8 микрон.
Характеристики и применение
Углеродные волокна вдвое жестче и в пять раз прочнее стали . Другая характеристика заключается в том, что они обладают высокой химической стойкостью и устойчивостью к высоким температурам с низким тепловым расширением.
Углеродные волокна являются важными инженерными материалами, когда речь идет о создании самолетов, высокопроизводительных транспортных средств, спортивного оборудования и музыкальных инструментов, среди многих других вещей.
Как производится углеродное волокно
Углеродное волокно изготовлено из органических полимеров. Эти полимеры состоят из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе атомами углерода. Около 90 процентов углеродных волокон изготавливаются из полиакрилонитрила (ПАН) по технологии . Остальные 10 процентов производятся из искусственного шелка или нефтяного пека.
Газы, жидкости и другие материалы, используемые в производственном процессе, создают определенные эффекты, качества и сорта углеродного волокна. Углеродное волокно высшего качества с лучшими свойствами модуля используется в требовательных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность.
Производители углеродного волокна отличаются друг от друга комбинациями используемого сырья. Обычно они рассматривают свои конкретные составы как коммерческую тайну.
Производственный процесс
В процессе производства сырье, называемое прекурсорами , вытягивается в длинные пряди волокон. Затем волокна вплетаются в ткань. Их также можно комбинировать с другими материалами, которые намотаны или отлиты в нужные формы и размеры.
Производственный процесс выглядит следующим образом:
-
Прядение. ПАН смешивают с другими ингредиентами и скручивают в волокна, которые промывают и растягивают.
-
Стабилизирующий. Химическая модификация для стабилизации соединения.
-
Карбонизация. Стабилизированные волокна, нагретые до очень высокой температуры, образуют прочно связанные углеродные кристаллы.
-
Обработка поверхности. T Поверхность волокон окисляется для улучшения адгезионных свойств.
-
Размер. Волокна покрыты и намотаны на бобины. Затем их загружают на прядильные машины, которые скручивают волокна в пряжу разного размера.
Вместо того, чтобы вплетаться в ткани, волокна могут быть сформованы в композиты. Для формирования композитных материалов можно использовать тепло, давление или вакуум, чтобы связать волокна вместе с пластиковым полимером.
На что следует обратить внимание
Производство углеродных волокон сопряжено с рядом проблем, в том числе:
-
Необходимость более рентабельного восстановления и ремонта .
-
Процесс обработки поверхности должен тщательно регулироваться во избежание образования ямок, которые могут привести к дефектным волокнам .
-
Тщательный контроль необходим для обеспечения неизменное качество .
-
Дугообразование и короткое замыкание в электрическом оборудовании из-за сильной электропроводности углеродных волокон.
-
Проблемы здоровья и безопасности, среди которых раздражение кожи и проблемы с дыханием .
Будущее углеродного волокна
Объем рынка углеродного волокна оценивается в 4,7 млрд долларов США в 2019 году и, по прогнозам, достигнет 7,8 млрд долларов США к 2024 году при среднегодовой темп роста 10,6% . Рынок углеродного волокна растет из-за растущего спроса на него со стороны аэрокосмической и оборонной, автомобильной и ветроэнергетики. (источник: https://www. prnewswire.com/news-releases/global-7-8-billion-carbon-fiber-market-forecast-to-2029---potential-opportunities-in-new-applications-such -as-geo-polymer-and-medical-composites-300931306.html)
Для этого необходимо сократить затраты и создать новые приложения, ориентированные на .
Благодарим вас за то, что вы нашли время прочитать наш блог. Если вы думаете об обучении за границей, взгляните на нашу степень магистра в области композитов.
В PFH мы позаботимся о том, чтобы у вас было наилучшее обучение за границей!
Как производится углеродное волокно?
Хотя основа углеродного волокна — волокна из углерода — звучит достаточно просто, существует множество способов комбинировать эти относительно простые волокна, часто с другими продуктами, для создания более прочных, жестких и легких материалов, которые высоко ценятся инженерами-конструкторами для современные высокотехнологичные проекты.
Прекурсоры углеродного волокна
Углеродное волокно всегда начинается с органического полимера, известного как прекурсор. Около 9В 0% случаев этим предшественником является полиакрилонитрил (ПАН). Иногда вместо этого используется искусственный шелк или нефтяная смола. Органические полимеры состоят из длинных нитей молекул, связанных атомами углерода. Состав прекурсора немного различается в зависимости от производителя, и точный состав обычно является строго охраняемой коммерческой тайной.
В процессе производства могут добавляться газы, жидкости и другие материалы для придания углеродным волокнам различных свойств. Иногда добиваются определенного эффекта; в других случаях целью является конкретная реакция или предотвращение конкретной реакции. Опять же, точное сочетание технологических материалов обычно является корпоративной тайной.
Процесс производства углеродного волокна
Как только достигается правильное сочетание технологических материалов, предшественник вытягивается в длинные нити или волокна, затем нагревается при повышенных температурах в инертной атмосфере (пиролиз) для карбонизации. Карбонизация вытесняет большую часть неуглеродных атомов, оставляя длинные, плотно сплетенные цепочки атомов углерода с небольшим количеством оставшегося неуглеродного материала. Этот процесс обычно состоит из пяти шагов:
- Прядение — Прекурсор смешивают с другими материалами, а затем скручивают в волокна. Затем эти волокна промывают и растягивают.
- Стабилизирующий— Углеродные волокна должны быть химически модифицированы перед карбонизацией, чтобы сделать их более термически стабильными за счет замены их линейных атомных связей на лестничные. Волокна нагревают на воздухе примерно до 200-300°С в течение от 30 минут до двух часов. Этот процесс нагрева заставляет атомы углерода поглощать атомы кислорода из воздуха и перестраивать молекулы в более термически стабильную структуру связи. Этот экзотермический процесс необходимо тщательно контролировать, чтобы предотвратить перегрев волокон. Существует множество процессов, используемых для стабилизации углеродных волокон.
- Карбонизация— После термостойкости волокон их нагревают до 1000-3000°С в течение нескольких минут без доступа кислорода. Недостаток кислорода препятствует возгоранию волокон при такой высокой температуре. Во время этого процесса важно поддерживать давление газа внутри печи выше, чем давление воздуха снаружи печи, и держать места входа и выхода волокна закрытыми, чтобы предотвратить попадание кислорода в печь. При такой высокой температуре волокна выбрасывают неуглеродные атомы, а оставшиеся атомы углерода образуют прочно связанные углеродные кристаллы. Эти углеродные кристаллы располагаются параллельно длинной оси углеродного волокна.
- Обработка поверхности — Процесс карбонизации оставляет волокна с гладкой поверхностью, которая плохо сцепляется с эпоксидными смолами и другими материалами, используемыми при изготовлении композитных изделий. Поэтому поверхность слегка окисляется. Окисление придает поверхности лучшие свойства химической связи, а также протравливает поверхность, позволяя химическим веществам лучше прилипать к ней.
Волокна иногда погружают в газы, такие как углекислый газ, воздух или озон, или жидкости, такие как азотная кислота или гипохлорит натрия, для их окисления. В других случаях окисление достигается путем электролиза путем погружения положительно заряженных волокон в ванну с электропроводящими материалами. Каким бы ни был метод обработки поверхности, крайне важно, чтобы он выполнялся под тщательным наблюдением специалистов, чтобы предотвратить появление дефектов поверхности, которые могут привести к разрушению материала в дальнейшем.
- Проклейка — После окисления на волокна наносится покрытие для предотвращения повреждений, когда они наматываются на бобины или вплетаются в ткань. Процесс нанесения покрытия известен как проклейка, и проклеивающие материалы тщательно отбираются, чтобы быть совместимыми с клеями, используемыми для формирования композитных структур. Материалы покрытия могут включать полиэстер, нейлон, уретан или эпоксидную смолу.
После сортировки углеродных волокон их наматывают на бобины и загружают в прядильные машины для скручивания в пряжу различных размеров.