Weihai Snowwing Outdoor Equipment., Ltd.
Якість – це душа підприємства

Як виготовляється вуглецеве волокно?

Як виготовляється вуглецеве волокно?

Виробництво, використання та майбутнє цього міцного, легкого матеріалу

Вуглецеве волокно, яке також називають графітовим волокном або вуглецевим графітом, складається з дуже тонких ниток елемента вуглецю. Ці волокна мають високу міцність на розрив і надзвичайно міцні для свого розміру. Фактично, одна з форм вуглецевого волокна — вуглецева нанотрубка — вважається найміцнішим доступним матеріалом. Застосування вуглецевого волокна включають будівництво, машинобудування, аерокосмічні, високопродуктивні транспортні засоби, спортивне обладнання та музичні інструменти. У енергетиці вуглецеве волокно використовується у виробництві лопастей вітряків, сховищах природного газу та паливних елементів для транспортування. У авіаційній промисловості він знайшов застосування як у військових, так і в комерційних літаках, а також у безпілотних літальних апаратах. Для розвідки нафти його використовують у виробництві глибоководних бурових платформ і труб.

Швидкі факти: статистика вуглецевого волокна

  • Кожна нитка вуглецевого волокна має діаметр від 5 до 10 мікрон. Щоб дати вам уявлення про те, наскільки це мало, один мікрон (мм) дорівнює 0,000039 дюймів. Одна нитка шовку з павутини зазвичай становить від трьох до восьми мікрон.
  • Вуглецеві волокна вдвічі жорсткіші за сталь і в п’ять разів міцніше за сталь (на одиницю ваги). Вони також мають високу хімічну стійкість і стійкість до високих температур з низьким тепловим розширенням.

Сирі матеріали
Вуглецеве волокно виготовляється з органічних полімерів, які складаються з довгих ниток молекул, скріплених атомами вуглецю. Більшість вуглецевих волокон (близько 90%) виготовляються з поліакрилонітрилу (PAN). Невелика кількість (близько 10%) виробляється з району або нафтового пеку.

Гази, рідини та інші матеріали, що використовуються в процесі виробництва, створюють специфічні ефекти, якості та сорти вуглецевого волокна. Виробники вуглецевого волокна використовують запатентовані формули та комбінації сировини для матеріалів, які вони виробляють, і загалом вони розглядають ці конкретні рецептури як комерційну таємницю.

Вуглецеве волокно найвищого класу з найефективнішим модулем (константою або коефіцієнтом, що використовується для вираження числової міри, до якої речовина володіє певною властивістю, наприклад еластичністю), використовується у таких вимогливих застосуваннях, як аерокосмічний.

Виробничий процес
Створення вуглецевого волокна включає як хімічні, так і механічні процеси. Сировина, відома як попередники, втягується в довгі нитки, а потім нагрівається до високих температур в анаеробному (безкисневому) середовищі. Замість того, щоб горіти, екстремальне тепло змушує атоми волокна вібрувати настільки сильно, що майже всі невуглецеві атоми вилітають.

Після завершення процесу карбонізації волокно, що залишилося, складається з довгих, міцно зчеплених ланцюгів атомів вуглецю з невеликою кількістю невуглецевих атомів або без них. Ці волокна згодом вплітаються в тканину або об’єднуються з іншими матеріалами, які потім намотуються волокнами або формуються до бажаних форм і розмірів.

Наступні п'ять сегментів є типовими в процесі PAN для виробництва вуглецевого волокна:

  • Прядіння. ПАН змішують з іншими інгредієнтами і сплять у волокна, які потім промивають і розтягують.
  • Стабілізуючий. Волокна зазнають хімічних змін для стабілізації з’єднання.
  • Карбонізація. Стабілізовані волокна нагріваються до дуже високої температури, утворюючи міцно з'єднані кристали вуглецю.
  • Обробка поверхні. Поверхня волокон окислюється для поліпшення властивостей зчеплення.
  • Розміри. Волокна покриваються і намотуються на шпульки, які завантажуються на прядильні машини, які скручують волокна в пряжу різного розміру. Замість того, щоб бути вплетеними в тканини, волокна також можуть бути сформовані в композитні матеріали, використовуючи тепло, тиск або вакуум для зв’язування волокон разом із пластиковим полімером.

Вуглецеві нанотрубки виготовляються за іншим процесом, ніж стандартні вуглецеві волокна. За оцінками, нанотрубки в 20 разів сильніші, ніж їхні попередники, нанотрубки кують у печах, які використовують лазери для випаровування вуглецевих частинок.

Проблеми виробництва
Виробництво вуглецевих волокон несе в собі ряд проблем, зокрема:

  • Необхідність більш економічно ефективного відновлення та ремонту
  • Нестабільні витрати виробництва для деяких застосувань: наприклад, незважаючи на те, що нова технологія знаходиться на стадії розробки, через непомірні витрати використання вуглецевого волокна в автомобільній промисловості наразі обмежено високопродуктивними та розкішними транспортними засобами.
  • Процес обробки поверхні необхідно ретельно регулювати, щоб уникнути утворення ям, які призводять до дефектних волокон.
  • Для забезпечення стабільної якості необхідний ретельний контроль
  • Проблеми зі здоров’ям та безпекою, включаючи подразнення шкіри та дихання
  • Дуга та замикання в електрообладнанні через сильну електропровідність вуглецевих волокон

Майбутнє вуглецевого волокна
Оскільки технологія вуглецевого волокна продовжує розвиватися, можливості для вуглецевого волокна будуть лише розширюватися та збільшуватися. У Массачусетському технологічному інституті кілька досліджень, присвячених вуглецеві волокна, вже демонструють великі перспективи для створення нових технологій виробництва та дизайну, щоб задовольнити попит промисловості, що розвивається.

Доцент машинобудування Массачусетського технологічного інституту Джон Харт, піонер нанотрубок, працював зі своїми студентами над трансформацією технології виробництва, включаючи пошук нових матеріалів для використання в поєднанні з комерційними 3D-принтерами. «Я попросив їх думати повністю з рейок; якби вони задумали 3-D-принтер, який ніколи раніше не виготовляли, або корисний матеріал, який не можна надрукувати за допомогою сучасних принтерів», – пояснив Харт.

Результати були прототипами машин, які друкували розплавлене скло, м’яке морозиво та композити з вуглецевого волокна. За словами Харта, студентські команди також створили машини, які могли б обробляти «паралельну екструзію полімерів великої площі» та виконувати «оптичне сканування in situ» процесу друку.

Крім того, Харт працював з доцентом хімії Массачусетського технологічного інституту Мірча Дінкою над нещодавно завершеною трирічної співпраці з Automobili Lamborghini, щоб дослідити можливості нових вуглецевого волокна та композитних матеріалів, які одного дня можуть не тільки «дозволити повний кузов автомобіля бути використовуються як акумуляторна система», але призводять до «легших, міцніших корпусів, більш ефективних каталітичних нейтралізаторів, тоншої фарби та покращеної теплопередачі силової трансмісії [в цілому]».

З огляду на такі приголомшливі прориви на горизонті, не дивно, що ринок вуглецевого волокна, за прогнозами, виросте з 4,7 мільярда доларів у 2019 році до 13,3 мільярда доларів до 2029 року при сукупному річному темпі зростання (CAGR) на 11,0% (або трохи вище) той самий період часу.

Джерела

  • МакКоннелл, Вікі. «Виготовлення вуглецевого волокна». CompositeWorld. 19 грудня 2008 року
  • Шерман, Дон. «За межами вуглецевого волокна: наступний проривний матеріал у 20 разів міцніший». Автомобіль і водій. 18 березня 2015 року
  • Рендалл, Даніель. «Дослідники MIT співпрацюють з Lamborghini для розробки електромобіля майбутнього». МІТМЕЧЕ/В новинах: кафедра хімії. 16 листопада 2017 року
  • «Ринок вуглецевого волокна за сировиною (PAN, смола, район), типом волокна (первинним, переробленим), типом продукту, модулем, застосуванням (композитні, некомпозитні), галуззю кінцевого використання (A & D, автомобільна промисловість, енергія вітру ), та Регіон — глобальний прогноз до 2029 року». MarketsandMarkets™. вересень 2019 року

Час розміщення: 28 липня 2021 р