Definisi dan komposisi serat karbon
Kandungan karbon dan sifat dasar serat karbon (CF) adalah jenis bahan serat baru dengan kekuatan tinggi dan serat modulus tinggi yang mengandung lebih dari 95% karbon. Ini adalah bahan grafit mikrokristalin yang diperoleh dengan menumpuk serat organik seperti mikrokristal grafit flake di sepanjang arah aksial serat, setelah karbonisasi dan grafitisasi. Massa serat karbon lebih ringan dari aluminium logam, tetapi kekuatannya lebih tinggi dari baja, dan memiliki karakteristik resistensi korosi, modulus tinggi, kepadatan rendah, tidak ada creep, konduktivitas listrik dan termal yang baik, resistensi terhadap suhu ultra-tinggi pada non non -Meniksidasi lingkungan, dan resistensi kelelahan yang baik.
Kandungan karbon serat karbon adalah indikator penting yang membedakannya dari bahan serat lainnya. Secara umum, kandungan karbon serat karbon lebih tinggi dari 90%, yang membuat serat karbon dalam sifat fisik dengan kekuatan tinggi, modulus tinggi, kepadatan rendah dan karakteristik lainnya. Kepadatan serat karbon adalah sekitar 1,5 hingga 2,0 gram per sentimeter kubik, yang terutama ditentukan oleh suhu perlakuan karbonisasi. Setelah suhu tinggi 3000 ℃ Perawatan grafitisasi, kepadatan hingga 2,0 gram per sentimeter kubik.
Struktur mikrokristalin dan komposisi material
Struktur mikrokristalin serat karbon adalah kunci dari sifat uniknya. Serat karbon terutama terdiri dari karbon, bentuknya memiliki anisotropi yang signifikan, lunak, dapat diproses menjadi berbagai kain, di sepanjang arah sumbu serat menunjukkan kekuatan tinggi. Struktur mikrokristalin serat karbon mirip dengan grafit buatan, yang merupakan struktur grafit kacau. Jarak antara lapisan serat karbon adalah sekitar 3,39 hingga 3,42 Å. Susunan atom karbon antara lapisan paralel tidak rapi seperti grafit, dan lapisan dihubungkan bersama oleh gaya van der Waals.
Struktur serat karbon juga biasanya dipandang terdiri dari kristal dan pori-pori yang dipesan dua dimensi, di mana kandungan, ukuran dan distribusi pori-pori memiliki dampak yang lebih besar pada kinerja serat karbon. Ketika porositas di bawah nilai kritis tertentu, porositas tidak memiliki efek signifikan pada kekuatan geser interlaminar, kekuatan lentur dan kekuatan tarik komposit serat karbon. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa porositas kritis yang menyebabkan penurunan sifat mekanik material adalah 1%-4%.
Dalam struktur mikrokristalin serat karbon, ukuran mikrokristal grafit dan jarak ply adalah dua parameter penting. Serat karbon modulus tinggi memiliki struktur kristal grafit tiga dimensi yang dipesan secara lokal dengan lebih sedikit cacat lamellae grafit, penumpukan yang lebih ketat, dan kandungan karbon yang lebih tinggi. Selama persiapan serat karbon modulus tinggi dari serat karbon berkekuatan tinggi, hilangnya kekuatan jelas karena modulus serat karbon meningkat, yang terkait erat dengan evolusi struktur mikrokristalin. Pembentukan dan evolusi struktur mikrokristalin dan pori serat karbon bersama -sama mempengaruhi sifat -sifat serat karbon.
Klasifikasi Serat Karbon
Klasifikasi serat karbon oleh sistem bahan baku serat karbon terutama diklasifikasikan ke dalam tiga kategori utama menurut sistem bahan baku: serat karbon berbasis poliakrilonitril (PAN), serat karbon berbasis aspal, dan serat karbon berbasis viscose, yang masing-masing memilikinya Sumber unik bahan baku dan proses persiapan.
Serat Karbon Berbasis PAN: adalah produk utama di pasar saat ini, menyumbang lebih dari 90% dari total produksi global serat karbon. Serat karena proses produksinya yang sederhana, biaya yang lebih rendah, tingkat penyerapan karbonisasi yang lebih tinggi, sifat mekanik yang sangat baik, dan karakteristik lainnya. Bahan baku utamanya adalah akrilonitril, dan protofilamen PAN disiapkan melalui polimerisasi dan proses pemintalan, dan kemudian dibuat menjadi serat karbon melalui proses pra-oksidasi, karbonisasi dan grafitisasi.
Serat karbon berbasis aspal: take asphalt sebagai bahan baku, setelah modulasi, pemintalan, perlakuan non-melelting, karbonisasi atau perawatan grafitisasi dan langkah-langkah lain yang harus dilakukan. Serat karbon berbasis aspal memiliki hasil karbon yang tinggi, tetapi modulasi bahan baku kompleks, kinerja produk rendah, dan skala saat ini kecil. Serat karbon berbasis pitch memiliki keunggulan dalam modulus, gesekan, dan konduktivitas termal, dan karenanya memiliki aplikasi dalam ruang angkasa.
Serat karbon berbasis viscose: terbuat dari rayon sebagai bahan baku, melalui proses hasil karbonisasi rendah, kesulitan teknis, peralatan kompleks dan biaya tinggi. Serat karbon berbasis viscose terutama digunakan untuk bahan tahan ablasi dan bahan pengisolasi panas. Karena bahan baku adalah produk alami dan tidak mengandung ion logam, ia memiliki keunggulan yang tak tergantikan di bidang-bidang tertentu seperti bahan pengisolasi panas untuk senjata strategis, bahan perlindungan gelombang gelombang anti-statis dan anti-elektromagnetik.
Klasifikasi berdasarkan kinerja serat karbon diklasifikasikan berdasarkan kinerja, terutama berdasarkan kekuatan tarik dan modulus tarik, yang merupakan dua indeks properti mekanik, dan dapat dibagi menjadi tujuan umum, berkekuatan tinggi (GQ), model medium berkekuatan tinggi ( Qz), model tinggi (m) dan sebagainya.
Serat karbon tujuan umum: memiliki sifat mekanik dasar dan cocok untuk aplikasi industri umum, seperti peralatan olahraga, suku cadang otomotif, dll.
Serat karbon berkekuatan tinggi: memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada tujuan umum, banyak digunakan dalam kedirgantaraan, peralatan militer, dll., Modelnya T300, T700, T800, dll. Adalah serat karbon berkekuatan tinggi yang umum.
Serat karbon model medium kekuatan tinggi: Selain kekuatan tinggi, ia juga memiliki karakteristik modulus tinggi tertentu, cocok untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan dan kekakuan tinggi.
Serat Karbon Model Tinggi: Ditandai dengan modulus tinggi, seperti M40, M60 dan model lainnya, ini terutama digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan kekakuan tinggi, seperti komponen struktural satelit, komponen bantalan utama pesawat, dll.
Serat karbon dengan sifat yang berbeda direalisasikan melalui proses persiapan yang berbeda dan kondisi perlakuan panas untuk memenuhi persyaratan spesifik untuk sifat dalam aplikasi yang berbeda. Dengan kemajuan teknologi dan perluasan area aplikasi, klasifikasi kinerja serat karbon juga disempurnakan dan ditingkatkan.
Proses Pembuatan Serat Karbon
Proses pemintalan
Pembuatan serat karbon dimulai dengan proses pemintalan, langkah di mana bahan prekursor seperti polimer organik seperti poliacrylonitrile (PAN) secara kimia dikonversi menjadi bentuk serat.
Proses pemintalan biasanya dikategorikan sebagai pemintalan basah, pemintalan kering dan pemintalan basah/kering.
Pemintalan Basah: Dalam pemintalan basah, larutan polimer diekstrusi melalui lubang spinneret ke dalam rendaman koagulasi, di mana koagulasi dicapai dengan difusi pelarut. Metode ini memiliki kecepatan produksi yang rendah dan merupakan proses yang kompleks, tetapi dapat menghasilkan serat dengan permukaan yang halus dan seragam. Telah dipelajari bahwa permukaan serat karbon berputar basah memiliki alur yang signifikan, yang dapat mempengaruhi sifat komposit berikutnya.
Pemintalan kering: Dalam pemintalan kering, larutan polimer ditekan keluar dari spinneret dan langsung ke saluran pemintalan, aliran udara panas di kanal menyebabkan pelarut untuk menguap dengan cepat, dan curing terjadi setelah pelarut dalam aliran halus dari pada pada pada pada pada pada pada pada pada pada pada aliran halus Cairan asli menguap. Pemintalan kering mampu produksi kontinu, kecepatan pemintalan cepat, output besar, polusi lingkungan yang lebih sedikit, kualitas serat yang lebih baik dan ketahanan kimia dan sifat pewarnaan.
Pemintalan basah dan kering: Menggabungkan karakteristik metode kering dan basah, stok pemintalan ditekan dari spinneret dan kemudian melewati bagian lapisan udara sebelum memasuki penangas koagulasi. Proses ini memiliki produktivitas tinggi, menghasilkan serat karbon berkualitas baik, dan memiliki biaya produksi yang rendah. Viskositas larutan pemintalan kering dan basah hingga 50 ~ 100 pa - S, dapat meningkatkan konsentrasi larutan stok pemintalan, mengurangi pemulihan pelarut dan konsumsi unit.
Stabilisasi
Perawatan stabilisasi adalah langkah kunci dalam proses pembuatan serat karbon, tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan stabilitas termal serat prekursor, dalam persiapan untuk proses karbonisasi berikutnya. Pada langkah ini, serat prekursor dipanaskan hingga 200-300 ° C di udara untuk meningkatkan reaksi oksidasi dan pembentukan struktur trapesium, sehingga meningkatkan stabilitas termal serat.
Stabilitas oksidatif: Serat yang distabilkan menunjukkan stabilitas oksidatif yang lebih baik, yang memfasilitasi penggunaannya dalam kondisi yang keras. Studi telah menunjukkan bahwa serat karbon berbasis PAN yang stabil memiliki tingkat siklisasi yang berkurang, laju dekomposisi termal yang lebih cepat, dan hasil karbon akhir yang lebih rendah.
Efek perlakuan panas: Waktu dan suhu perlakuan stabilisasi memiliki efek yang signifikan pada sifat serat karbon. Secara umum, waktu perawatan stabilisasi diukur dalam beberapa jam, tetapi waktu karbonisasi adalah urutan besarnya lebih pendek, diukur dalam hitungan menit. Serat menjalani pengobatan stabilisasi yang menghasilkan penurunan berat badan yang signifikan dan pengurangan diameter.
Perawatan karbonisasi dan grafitisasi
Perawatan karbonisasi dan grafitisasi adalah langkah perlakuan panas akhir dalam proses pembuatan serat karbon, dan bersama -sama mereka menentukan sifat akhir dari serat karbon.
Karbonisasi: Selama proses karbonisasi, filamen preoksigenasi PAN berada di atmosfer lembam dan secara bertahap dipanaskan dari 400 ° C hingga 1600 ° C, melewati dua daerah karbonisasi suhu rendah 400-1000 ° C dan karbonisasi suhu tinggi tinggi karbonisasi tinggi dengan suhu tinggi dan tinggi. 1000-1600 ° C. Filamen preoksigenasi PAN dipanaskan dari 400 ° C hingga 1600 ° C secara bertahap. Dalam suhu ini, unsur-unsur non-karbon seperti N, H dan O dalam filamen preoksigenasi dilepaskan dari serat untuk menghasilkan serat karbon dengan lebih dari 90% kandungan karbon.
Grafitisasi: Perlakuan grafitisasi biasanya dilakukan pada suhu tinggi 2.500 hingga 3.000 ° C untuk membentuk struktur kristal grafit tiga dimensi reguler dari struktur lamelar grafit yang kacau di dalam serat karbon. Proses ini dapat secara signifikan meningkatkan modulus tarik serat karbon, sehingga serat karbon yang dipenuhi banyak digunakan dalam kedirgantaraan dan teknologi tepi mutakhir lainnya.
Evolusi Mikrostruktur: Selama proses grafitisasi, struktur mikro serat karbon mengalami perubahan yang signifikan, dengan mikrokristal grafit yang bertambah besar dalam ukuran dan jarak lapisan yang menurun, mendekati jarak lapisan yang ideal dari kristal grafit 0,335 n. Perubahan ini mengarah ke peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan signifikan dalam peningkatan signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan signifikan dalam peningkatan signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam hal ini mengarah pada peningkatan signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam hal ini dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan dalam peningkatan yang signifikan Sifat mekanis dan termal serat karbon.
