La fibra di carbonio, conosciuta come la regina dei nuovi materiali nel 21° secolo, è una perla brillante nel campo dei materiali.La fibra di carbonio (CF) è un tipo di fibra inorganica con oltre il 90% di contenuto di carbonio.Le fibre organiche (a base di viscosa, a base di pece, a base di poliacrilonitrile, ecc.) vengono pirolizzate e carbonizzate ad alta temperatura per formare la struttura principale del carbonio.
Essendo una nuova generazione di fibra rinforzata, la fibra di carbonio ha eccellenti proprietà meccaniche e chimiche.Non solo ha le caratteristiche intrinseche dei materiali in carbonio, ma ha anche la morbidezza e la lavorabilità della fibra tessile.Pertanto, è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, delle apparecchiature energetiche, dei trasporti, dello sport e del tempo libero
Leggerezza: essendo un nuovo materiale strategico dalle prestazioni eccellenti, la densità della fibra di carbonio è quasi uguale a quella del magnesio e del berillio, inferiore a 1/4 di quella dell'acciaio.L’utilizzo del composito in fibra di carbonio come materiale strutturale può ridurre il peso strutturale del 30% – 40%.
Elevata resistenza e alto modulo: la resistenza specifica della fibra di carbonio è 5 volte superiore a quella dell'acciaio e 4 volte superiore a quella della lega di alluminio;Il modulo specifico è 1,3-12,3 volte quello di altri materiali strutturali.
Piccolo coefficiente di dilatazione: il coefficiente di dilatazione termica della maggior parte delle fibre di carbonio è negativo a temperatura ambiente, 0 a 200-400 ℃, e solo 1,5 a meno di 1000 ℃ × 10-6 / K, non facile da espandere e deformare a causa dell'elevato funzionamento temperatura.
Buona resistenza alla corrosione chimica: la fibra di carbonio ha un elevato contenuto di carbonio puro e il carbonio è uno degli elementi chimici più stabili, con conseguenti prestazioni molto stabili in ambiente acido e alcalino, che possono essere trasformati in tutti i tipi di prodotti chimici anticorrosivi.
Forte resistenza alla fatica: la struttura della fibra di carbonio è stabile.Secondo le statistiche della rete polimerica, dopo milioni di cicli di prove di fatica da stress, il tasso di ritenzione della resistenza del composito è ancora del 60%, mentre quello dell'acciaio è del 40%, l'alluminio è del 30% e la plastica rinforzata con fibra di vetro è solo del 20%. % – 25%.
Il composito in fibra di carbonio è il rafforzamento della fibra di carbonio.Sebbene la fibra di carbonio possa essere utilizzata da sola e svolgere una funzione specifica, dopo tutto è un materiale fragile.Solo quando viene combinato con il materiale della matrice per formare il composito in fibra di carbonio, può sfruttare meglio le sue proprietà meccaniche e sopportare più carichi.
Le fibre di carbonio possono essere classificate in base a diverse dimensioni come tipo di precursore, metodo di produzione e prestazioni
A seconda del tipo di precursore: a base di poliacrilonitrile (Pan), a base di pece (isotropo, mesofase);Base viscosa (base cellulosa, base rayon).Tra questi, la fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile (Pan) occupa la posizione principale e la sua produzione rappresenta oltre il 90% della fibra di carbonio totale, mentre la fibra di carbonio a base di viscosa rappresenta meno dell'1%.
Secondo le condizioni e i metodi di produzione: fibra di carbonio (800-1600 ℃), fibra di grafite (2000-3000 ℃), fibra di carbonio attivata, fibra di carbonio cresciuta a vapore.
In base alle proprietà meccaniche, può essere suddiviso in tipo generale e tipo ad alte prestazioni: la resistenza della fibra di carbonio di tipo generale è di circa 1000 MPa e il modulo è di circa 100 GPa;Il tipo ad alte prestazioni può essere suddiviso in tipo ad alta resistenza (resistenza 2000mPa, modulo 250gpa) e modello alto (modulo 300gpa o più), tra i quali la resistenza maggiore di 4000mpa è anche chiamata tipo ad altissima resistenza, e il modulo maggiore di 450gpa è chiamato modello ultra-alto.
A seconda delle dimensioni del rimorchio, può essere diviso in rimorchio piccolo e rimorchio grande: la fibra di carbonio del rimorchio piccolo è principalmente 1K, 3K e 6K nella fase iniziale e si sviluppa gradualmente in 12K e 24K, che viene utilizzata principalmente nel settore aerospaziale, sportivo e campi ricreativi.Le fibre di carbonio superiori a 48K sono solitamente chiamate fibre di carbonio di grandi dimensioni, tra cui 48K, 60K, 80K, ecc., che vengono utilizzate principalmente in campi industriali.
La resistenza alla trazione e il modulo di trazione sono due indici principali per valutare le proprietà della fibra di carbonio.Sulla base di ciò, nel 2011 la Cina ha promulgato lo standard nazionale per la fibra di carbonio a base PAN (GB / t26752-2011). Allo stesso tempo, a causa del vantaggio assoluto di Toray nel settore globale della fibra di carbonio, anche la maggior parte dei produttori nazionali adotta lo standard di classificazione di Toray come referenza.
1.2 Barriere elevate apportano un elevato valore aggiunto.Migliorare il processo e realizzare la produzione di massa può ridurre significativamente i costi e aumentare l’efficienza
1.2.1 la barriera tecnica del settore è elevata, la produzione di precursori è il nucleo e la carbonizzazione e l'ossidazione sono la chiave
Il processo di produzione della fibra di carbonio è complesso e richiede attrezzature e tecnologie elevate.Il controllo della precisione, della temperatura e del tempo di ciascun collegamento influirà notevolmente sulla qualità del prodotto finale.La fibra di carbonio poliacrilonitrile è diventata attualmente la fibra di carbonio più utilizzata e con il rendimento più elevato grazie al processo di preparazione relativamente semplice, ai bassi costi di produzione e al comodo smaltimento di tre rifiuti.La principale materia prima propano può essere ricavata dal petrolio greggio e la catena industriale della fibra di carbonio PAN comprende un processo di produzione completo, dall’energia primaria all’applicazione terminale.
Dopo che il propano è stato preparato dal petrolio greggio, il propilene è stato ottenuto mediante deidrogenazione catalitica selettiva (PDH) del propano;
L'acrilonitrile è stato ottenuto per ammossidazione del propilene.Il precursore del poliacrilonitrile (Pan) è stato ottenuto mediante polimerizzazione e filatura dell'acrilonitrile;
Il poliacrilonitrile è preossidato, carbonizzato a bassa e alta temperatura per ottenere fibra di carbonio, che può essere trasformata in tessuto in fibra di carbonio e preimpregnato in fibra di carbonio per la produzione di compositi in fibra di carbonio;
La fibra di carbonio è combinata con resina, ceramica e altri materiali per formare compositi in fibra di carbonio.Infine, i prodotti finali per le applicazioni a valle sono ottenuti mediante vari processi di stampaggio;
La qualità e il livello di prestazione del precursore determinano direttamente la prestazione finale della fibra di carbonio.Pertanto, il miglioramento della qualità della soluzione di filatura e l’ottimizzazione dei fattori di formazione dei precursori diventano i punti chiave nella preparazione della fibra di carbonio di alta qualità.
Secondo la “Ricerca sul processo di produzione del precursore della fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile”, il processo di filatura comprende principalmente tre categorie: filatura a umido, filatura a secco e filatura a secco a umido.Attualmente, la filatura a umido e la filatura a umido a secco vengono utilizzate principalmente per produrre precursori di poliacrilonitrile in patria e all'estero, tra cui la filatura a umido è la più utilizzata.
La filatura a umido estrude innanzitutto la soluzione di filatura dal foro della filiera e la soluzione di filatura entra nel bagno di coagulazione sotto forma di piccolo flusso.Il meccanismo di filatura della soluzione di filatura del poliacrilonitrile è che c'è un grande divario tra la concentrazione di DMSO nella soluzione di filatura e nel bagno di coagulazione, e c'è anche un grande divario tra la concentrazione dell'acqua nel bagno di coagulazione e nella soluzione di poliacrilonitrile.Sotto l'interazione delle due differenze di concentrazione di cui sopra, il liquido inizia a diffondersi in due direzioni e infine si condensa in filamenti attraverso trasferimento di massa, trasferimento di calore, movimento di equilibrio di fase e altri processi.
Nella produzione del precursore, la quantità residua di DMSO, la dimensione della fibra, la resistenza del monofilamento, il modulo, l'allungamento, il contenuto di olio e il ritiro in acqua bollente diventano i fattori chiave che influenzano la qualità del precursore.Prendendo come esempio la quantità residua di DMSO, essa ha un'influenza sulle proprietà apparenti del precursore, sullo stato della sezione trasversale e sul valore CV del prodotto finale in fibra di carbonio.Minore è la quantità residua di DMSO, maggiore sarà la prestazione del prodotto.Nella produzione, il DMSO viene rimosso principalmente mediante il lavaggio, quindi il modo in cui controllare la temperatura di lavaggio, il tempo, la quantità di acqua dissalata e la quantità di ciclo di lavaggio diventa un collegamento importante.
Il precursore del poliacrilonitrile di alta qualità dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: alta densità, elevata cristallinità, resistenza adeguata, sezione trasversale circolare, meno difetti fisici, superficie liscia e struttura del nucleo della pelle uniforme e densa.
Il controllo della temperatura della carbonizzazione e dell’ossidazione è la chiave.La carbonizzazione e l'ossidazione sono fasi essenziali nella produzione di prodotti finali in fibra di carbonio dal precursore.In questa fase, la precisione e l'intervallo di temperatura devono essere controllati accuratamente, altrimenti la resistenza alla trazione dei prodotti in fibra di carbonio sarà influenzata in modo significativo e porterà persino alla rottura del filo
Preossidazione (200-300 ℃): nel processo di preossidazione, il precursore del PAN viene lentamente e leggermente ossidato applicando una certa tensione nell'atmosfera ossidante, formando un gran numero di strutture ad anello sulla base della catena diritta Pan, in modo da raggiungere lo scopo di resistere al trattamento a temperature più elevate.
Carbonizzazione (temperatura massima non inferiore a 1000 ℃): il processo di carbonizzazione deve essere effettuato in atmosfera inerte.Nella fase iniziale della carbonizzazione, la catena pan si rompe e inizia la reazione di reticolazione;Con l'aumento della temperatura, la reazione di decomposizione termica inizia a rilasciare un gran numero di gas di piccole molecole e inizia a formarsi la struttura della grafite;Quando la temperatura aumentava ulteriormente, il contenuto di carbonio aumentava rapidamente e la fibra di carbonio cominciava a formarsi.
Grafitizzazione (temperatura di trattamento superiore a 2000 ℃): la grafitizzazione non è un processo necessario per la produzione della fibra di carbonio, ma un processo facoltativo.Se si prevede un modulo elastico elevato della fibra di carbonio, è necessaria la grafitizzazione;Se si prevede un'elevata resistenza della fibra di carbonio, la grafitizzazione non è necessaria.Nel processo di grafitizzazione, l'alta temperatura fa sì che la fibra formi una struttura a rete di grafite sviluppata e la struttura viene integrata mediante trafilatura per ottenere il prodotto finale.
Le elevate barriere tecniche conferiscono ai prodotti a valle un elevato valore aggiunto e il prezzo dei compositi aeronautici è 200 volte superiore a quello della seta grezza.A causa dell’elevata difficoltà della preparazione della fibra di carbonio e del processo complesso, più i prodotti sono a valle, maggiore è il valore aggiunto.Soprattutto per i compositi in fibra di carbonio di fascia alta utilizzati nel campo aerospaziale, poiché i clienti a valle hanno requisiti molto severi in termini di affidabilità e stabilità, il prezzo del prodotto mostra anche una crescita multipla geometrica rispetto alla normale fibra di carbonio.
Orario di pubblicazione: 22 luglio 2021