Süsinikkiutööstuse süvaanalüüs: suur kasv, lai uute materjalide ruum ja kvaliteetne rada

21. sajandil uute materjalide kuningana tuntud süsinikkiud on materjalides särav pärl.Süsinikkiud (CF) on anorgaaniline kiud, mille süsinikusisaldus on üle 90%.Orgaanilised kiud (viskoosipõhised, pigipõhised, polüakrüülnitriilipõhised kiud jne) pürolüüsitakse ja karboniseeritakse kõrgel temperatuuril, et moodustada süsiniku põhi.

Uue põlvkonna tugevdatud kiududena on süsinikkiul suurepärased mehaanilised ja keemilised omadused.Sellel pole mitte ainult süsinikmaterjalidele omased omadused, vaid ka tekstiilkiu pehmus ja töödeldavus.Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt kosmosetööstuses, energiaseadmetes, transpordis, spordis ja vaba aja veetmise valdkonnas

Kerge kaal: suurepärase jõudlusega uue strateegilise materjalina on süsinikkiu tihedus peaaegu sama kui magneesiumil ja berülliumil, vähem kui 1/4 terasest.Süsinikkiust komposiidi kasutamine konstruktsioonimaterjalina võib konstruktsiooni kaalu vähendada 30–40%.

Suur tugevus ja kõrge moodul: süsinikkiu eritugevus on 5 korda kõrgem kui terasel ja 4 korda kõrgem kui alumiiniumisulamil;Erimoodul on 1,3-12,3 korda suurem kui teistel konstruktsioonimaterjalidel.

Väike paisumiskoefitsient: enamiku süsinikkiudude soojuspaisumistegur on toatemperatuuril negatiivne, 0 temperatuuril 200-400 ℃ ja ainult 1,5 temperatuuril alla 1000 ℃ × 10-6 / K, kõrge töövõime tõttu ei ole seda lihtne laiendada ja deformeerida temperatuuri.

Hea keemiline korrosioonikindlus: süsinikkiul on kõrge puhta süsinikusisaldus ja süsinik on üks stabiilsemaid keemilisi elemente, mille tulemuseks on selle väga stabiilne jõudlus happe- ja leeliskeskkonnas, millest saab valmistada kõikvõimalikke keemilisi korrosioonivastaseid tooteid.

Tugev väsimuskindlus: süsinikkiu struktuur on stabiilne.Polümeervõrgu statistika kohaselt on pärast miljonite pingeväsimuskatse tsüklit komposiidi tugevuse säilivus endiselt 60%, terasel 40%, alumiiniumil 30% ja klaaskiuga tugevdatud plastil ainult 20%. % – 25%.

Süsinikkiust komposiit on süsinikkiu taastugevdamine.Kuigi süsinikkiudu saab kasutada üksi ja see täidab teatud funktsiooni, on see siiski habras materjal.Ainult siis, kui see kombineeritakse maatriksmaterjaliga süsinikkiust komposiidi moodustamiseks, annab see oma mehaanilistele omadustele parema mängu ja kannab rohkem koormust.

Süsinikkiude saab klassifitseerida erinevate mõõtmete järgi, nagu lähteaine tüüp, tootmismeetod ja jõudlus

Vastavalt lähteaine tüübile: polüakrüülnitriilil (Pan) põhinev, pigipõhine (isotroopne, mesofaas);Viskoosi alus (tselluloosi alus, rayon alus).Nende hulgas on polüakrüülnitriilil (Pan) põhinev süsinikkiud põhipositsioonil ja selle toodang moodustab üle 90% kogu süsinikkiust, samas kui viskoosil põhinev süsinikkiud moodustab vähem kui 1%.

Vastavalt tootmistingimustele ja meetoditele: süsinikkiud (800-1600 ℃), grafiitkiud (2000-3000 ℃), aktiivsöe kiud, aurustatud süsinikkiud.

Mehaaniliste omaduste järgi võib selle jagada üldtüübiks ja suure jõudlusega tüübiks: üldist tüüpi süsinikkiu tugevus on umbes 1000 MPa ja moodul umbes 100 GPa;Suure jõudlusega tüübi võib jagada suure tugevusega tüübiks (tugevus 2000 mPa, moodul 250 gpa) ja kõrgeks mudeliks (moodul 300 gpa või rohkem), mille hulgas tugevust, mis on suurem kui 4000 mpa, nimetatakse ka ülikõrge tugevusega tüübiks ja moodulit, mis on suurem kui 450 gpa, nimetatakse nimetatakse ülikõrgeks mudeliks.

Puksiiri suuruse järgi võib selle jagada väikeseks ja suureks puksiiriks: väike pukseeritav süsinikkiud on algstaadiumis peamiselt 1K, 3K ja 6K ning järk-järgult areneb välja 12K ja 24K, mida kasutatakse peamiselt lennunduses, spordis. ja vaba aja väljad.Üle 48K süsinikkiude nimetatakse tavaliselt suurteks takseerivateks süsinikkiududeks, sealhulgas 48K, 60K, 80K jne, mida kasutatakse peamiselt tööstusvaldkondades.

Tõmbetugevus ja tõmbemoodul on kaks peamist näitajat süsinikkiu omaduste hindamiseks.Sellest lähtuvalt kuulutas Hiina 2011. aastal välja PAN-põhiste süsinikkiudude riikliku standardi (GB / t26752-2011). Samal ajal võtab enamik kodumaiseid tootjaid tänu Toray absoluutsele juhtivale eelisele ülemaailmses süsinikkiutööstuses üle ka Toray klassifikatsioonistandardi. viitena.

1.2 kõrged tõkked toovad suurt lisandväärtust.Protsessi täiustamine ja masstootmise realiseerimine võib oluliselt vähendada kulusid ja suurendada tõhusust

1.2.1 tööstuse tehniline barjäär on kõrge, lähteainete tootmine on tuumaks ning karboniseerimine ja oksüdatsioon on võtmetähtsusega

Süsinikkiu tootmisprotsess on keeruline, mis nõuab kõrgeid seadmeid ja tehnoloogiat.Iga lüli täpsuse, temperatuuri ja aja kontroll mõjutab oluliselt lõpptoote kvaliteeti.Polüakrüülnitriil-süsinikkiust on saanud praegu kõige laialdasemalt kasutatav ja suurima toodanguga süsinikkiud tänu selle suhteliselt lihtsale valmistamisprotsessile, madalatele tootmiskuludele ja kolme jäätmekäitluse mugavale kõrvaldamisele.Peamist toorainet propaani saab valmistada toornaftast ja PAN-i süsinikkiust tööstusahel hõlmab täielikku tootmisprotsessi primaarenergiast kuni terminalirakenduseni.

Pärast propaani valmistamist toorõlist saadi propüleen propaani selektiivse katalüütilise dehüdrogeenimise (PDH) abil;

Akrüülnitriil saadi propüleeni ammoksüdeerimisel.Polüakrüülnitriili (Pan) prekursor saadi akrüülnitriili polümerisatsiooni ja ketramise teel;

Polüakrüülnitriil oksüdeeritakse, karboniseeritakse madalal ja kõrgel temperatuuril, et saada süsinikkiud, millest saab süsinikkiust kangast ja süsinikkiust prepregmaterjali süsinikkiust komposiitide tootmiseks;

Süsinikkiud kombineeritakse vaigu, keraamika ja muude materjalidega, et moodustada süsinikkiust komposiite.Lõpuks saadakse järgnevateks rakendusteks kasutatavad lõpptooted erinevate vormimisprotsesside abil;

Eelkäija kvaliteet ja jõudluse tase määravad otseselt süsinikkiu lõpliku jõudluse.Seetõttu on kvaliteetse süsinikkiu valmistamise võtmepunktiks ketruslahuse kvaliteedi parandamine ja lähteainete moodustumise tegurite optimeerimine.

Vastavalt "Uuringud polüakrüülnitriilil põhineva süsinikkiu lähteaine tootmisprotsessi kohta" hõlmab ketrusprotsess peamiselt kolme kategooriat: märgketrus, kuivketrus ja kuivketrus.Praegu kasutatakse märgketrust ja kuivketrust peamiselt polüakrüülnitriili eelkäija tootmiseks kodu- ja välismaal, millest kõige laialdasemalt kasutatakse märgketrust.

Märgketramisel pressitakse kõigepealt välja ketruslahus ketrusaugust ja ketruslahus siseneb väikese vooluna koagulatsioonivanni.Polüakrüülnitriili ketruslahuse pöörlemismehhanism seisneb selles, et DMSO kontsentratsiooni vahel ketruslahuses ja koagulatsioonivannis on suur vahe, samuti on suur vahe koagulatsioonivannis oleva vee kontsentratsiooni ja polüakrüülnitriili lahuse vahel.Ülaltoodud kahe kontsentratsiooni erinevuse koosmõjul hakkab vedelik difundeeruma kahes suunas ja lõpuks kondenseerub massiülekande, soojusülekande, faasitasakaalu liikumise ja muude protsesside kaudu filamentideks.

Eelkäija tootmisel saavad lähteaine kvaliteeti mõjutavateks võtmeteguriteks DMSO jääkkogus, kiu suurus, monokiu tugevus, moodul, pikenemine, õlisisaldus ja keeva vee kokkutõmbumine.Võttes näiteks DMSO jääkkoguse, mõjutab see süsinikkiust lõpptoote lähteaine näivaid omadusi, ristlõike olekut ja CV väärtust.Mida väiksem on DMSO jääkkogus, seda suurem on toote jõudlus.Tootmises eemaldatakse DMSO peamiselt pesemise teel, seega muutub oluliseks lüliks see, kuidas kontrollida pesutemperatuuri, aega, soolavaba vee kogust ja pesutsükli kogust.

Kvaliteetsel polüakrüülnitriili prekursoril peaksid olema järgmised omadused: kõrge tihedus, kõrge kristallilisus, sobiv tugevus, ümmargune ristlõige, vähem füüsikalisi defekte, sile pind ning ühtlane ja tihe naha südamiku struktuur.

Karbonisatsiooni ja oksüdatsiooni temperatuuri reguleerimine on võti.Karboniseerimine ja oksüdatsioon on süsinikkiust lähteainetest lõpptoodete valmistamise oluline etapp.Selles etapis tuleks temperatuuri täpsust ja vahemikku täpselt kontrollida, vastasel juhul mõjutab see oluliselt süsinikkiust toodete tõmbetugevust ja võib isegi põhjustada traadi purunemist.

Eeloksüdatsioon (200–300 ℃): eeloksüdatsiooniprotsessis oksüdeeritakse PAN-i prekursor aeglaselt ja kergelt, rakendades oksüdeerivas atmosfääris teatud pinget, moodustades suure hulga ringstruktuure panni sirge ahela alusel, et saavutada eesmärk taluda töötlemist kõrgemal temperatuuril.

Karboniseerimine (maksimaalne temperatuur mitte alla 1000 ℃): karboniseerimisprotsess tuleks läbi viia inertses atmosfääris.Karboniseerimise varases staadiumis katkeb panni ahel ja algab ristsidumise reaktsioon;Temperatuuri tõustes hakkab termilise lagunemise reaktsioon eralduma suurel hulgal väikese molekuliga gaase ja hakkab moodustuma grafiidi struktuur;Kui temperatuur veelgi tõusis, suurenes süsinikusisaldus kiiresti ja süsinikkiud hakkas moodustuma.

Grafitiseerimine (töötlustemperatuur üle 2000 ℃): grafitiseerimine ei ole süsinikkiu tootmiseks vajalik, vaid valikuline protsess.Kui eeldatakse süsinikkiu suurt elastsusmoodulit, on vajalik grafitiseerimine;Kui eeldatakse süsinikkiu suurt tugevust, ei ole grafitiseerimine vajalik.Grafitiseerimisprotsessis muudab kõrge temperatuur kiust välja arenenud grafiitvõrgu struktuuri ja lõpptoote saamiseks integreeritakse struktuur joonistamise teel.

Kõrged tehnilised tõkked annavad tootmisahela järgmise etapi toodetele suure lisandväärtuse ning lennunduskomposiitide hind on 200 korda kõrgem kui toorsiidil.Süsinikkiu valmistamise keerukusest ja keerukast protsessist tulenevalt, mida rohkem allavoolu tooteid, seda suurem on lisandväärtus.Eriti kosmosetööstuses kasutatavate tipptasemel süsinikkiust komposiitide puhul, kuna alljärgnevatel klientidel on väga ranged nõuded selle töökindluse ja stabiilsuse osas, näitab toote hind ka geomeetrilist mitmekordset kasvu võrreldes tavalise süsinikkiuga.


Postitusaeg: 22. juuli 2021