Углеродные волокна - Carbon fibers

Эта статья о рыхлой или тканой углеродной нити. О жестком композитном материале из углеродного волокна, используемом в аэрокосмической и других областях, см. Полимер, армированный углеродным волокном.
Ткань из тканых углеродных волокон
Часть серии по
Волокно
Семена капока I IMG 8004.jpg
Натуральные волокна
Искусственные волокна
  • Veranotrigo.jpg Портал сельского хозяйства и агрономии
  • Приложения Nuvola kcmsystem.svg Инженерный портал
  • Категория Категория: Волокна

Углеродные волокна или углеродные волокна (альтернативно CF, графитовое волокно или графитовое волокно) волокна от 5 до 10 микрометров (0,00020–0,00039 дюйма) в диаметре и состоит в основном из углерод атомы. Углеродные волокна обладают рядом преимуществ, включая высокую жесткость, высокую прочность на разрыв, малый вес, высокую химическую стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической промышленности, гражданском строительстве, военном деле и автоспорте, а также в других соревновательных видах спорта. Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно или пластиковые волокна.

Чтобы произвести углеродное волокно, атомы углерода связаны вместе в кристаллы, которые более или менее выровнены параллельно длинной оси волокна, поскольку выравнивание кристаллов дает волокну высокое отношение прочности к объему (другими словами, оно прочное. за его размер). Несколько тысяч углеродных волокон связаны вместе, чтобы сформировать буксировать, который может использоваться сам по себе или сотканный в ткань.

Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами для образования составной. Когда пронизан пластиковая смола и запеченный, это образует полимер, армированный углеродным волокном (часто называемое углеродным волокном), которое имеет очень высокий соотношение прочности и веса, и чрезвычайно жесткий, хотя и несколько хрупкий. Углеродные волокна также сочетаются с другими материалами, такими как графит, чтобы сформировать усиленный углерод-углерод композиты, обладающие очень высокой термостойкостью.

История

Углеродные волокна производства пиролиз шелкового кокона. Электронная микрофотография - шкала внизу слева показывает 100 мкм.

В 1860 г. Джозеф Свон впервые произвела углеродное волокно для использования в лампах.[1] В 1879 г. Томас Эдисон запеченные хлопковые нити или бамбуковые ленточки при высоких температурах, карбонизирующие их в нить из углеродного волокна, используемую в одной из первых ламп накаливания, нагреваемых электричеством.[2] В 1880 г. Льюис Латимер разработали надежную нить накаливания из углеродной проволоки для лампы накаливания, нагреваемой электричеством.[3]

В 1958 г. Роджер Бэкон создали высокоэффективные углеродные волокна на Union Carbide Технический центр Пармы расположен за пределами Кливленд, Огайо.[4] Эти волокна были изготовлены путем нагревания прядей из район пока они карбонизированный. Этот процесс оказался неэффективным, поскольку полученные волокна содержали только около 20% углерода и имели низкие характеристики прочности и жесткости. В начале 1960-х годов доктор Акио Шиндо разработал процесс Агентство промышленной науки и технологий Японии, используя полиакрилонитрил (ПАН) в качестве сырья. Так получилось углеродное волокно, содержащее около 55% углерода. В 1960 году Ричард Миллингтон из H.I. Компания Thompson Fiberglas Co. разработала способ (патент США № 3294489) для производства волокна с высоким содержанием углерода (99%) с использованием вискозы в качестве прекурсора. Эти углеродные волокна обладали достаточной прочностью (модулем упругости и пределом прочности на разрыв), чтобы использовать их в качестве армирования для композитов, обладающих высокими прочностными характеристиками, и для применений, устойчивых к высоким температурам.

Высокая потенциальная прочность углеродного волокна была реализована в 1963 году в процессе, разработанном У. Ваттом, Л. Н. Филлипсом и У. Джонсоном в Royal Aircraft Establishment в Фарнборо, Хэмпшир. Процесс был запатентован Великобританией. Министерство обороны, затем лицензию британской Национальная корпорация развития исследований трем компаниям: Rolls-Royce, которые уже производили углеродное волокно; Морганит; и Курто. Через несколько лет после успешного использования в 1968 г. Hyfil углеродное волокно сборка вентилятора в Роллс-Ройс Конвей реактивные двигатели Vickers VC10,[5] Компания Rolls-Royce воспользовалась свойствами нового материала, чтобы выйти на американский рынок с его РБ-211 авиационный двигатель с лопатками компрессора из углеродного волокна. К сожалению, лезвия оказались уязвимыми для повреждений от удар птицы. Эта и другие проблемы вызвали у Rolls-Royce такие неудачи, что в 1971 году компания была национализирована. Завод по производству углеродного волокна был продан, чтобы сформировать Bristol Composite Materials Engineering Ltd[6] (Часто называемые Bristol Composites).

В конце 1960-х японцы стали лидерами в производстве углеродных волокон на основе PAN. Совместное технологическое соглашение 1970 г. позволило Union Carbide производить в Японии Toray Industries товар. Компания Morganite решила, что производство углеродного волокна является второстепенным по отношению к ее основной деятельности, в результате чего Courtaulds остался единственным крупным производителем в Великобритании. Неорганический процесс Courtelle на водной основе сделал продукт чувствительным к примесям, которые не повлияли на органический процесс, используемый другими производителями углеродного волокна, что привело к тому, что Courtaulds прекратила производство углеродного волокна в 1991 году.

В течение 1960-х годов экспериментальные работы по поиску альтернативного сырья привели к внедрению углеродных волокон, изготовленных из нефтяного пека, полученного при переработке нефти. Эти волокна содержат около 85% углерода и обладают отличной прочностью на изгиб. Кроме того, в этот период правительство Японии активно поддерживало развитие углеродного волокна в стране, и несколько японских компаний, таких как Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon и Mitsubishi, начали свои собственные разработки и производство. С конца 1970-х годов на мировой рынок вышли другие типы пряжи из углеродного волокна, предлагающие более высокую прочность на разрыв и более высокий модуль упругости. Например, Т400 от Toray с предел прочности из 4000 МПа и M40, модуль упругости 400 ГПа. Были разработаны промежуточные углеродные волокна, такие как IM 600 от Toho Rayon с давлением до 6000 МПа. Углеродные волокна от Toray, Celanese и Akzo нашли свое применение в аэрокосмической отрасли от второстепенных к первичным деталям сначала в военных, а затем и в гражданских самолетах, таких как McDonnell Douglas, Boeing, Airbus и Объединенная авиастроительная корпорация самолеты.

Структура и свойства

Углеродная нить диаметром 6 мкм (идущая снизу слева направо) по сравнению с человеческим волосом

Углеродное волокно часто поставляется в виде непрерывного жгута, намотанного на катушку. Жгут представляет собой пучок тысяч непрерывных отдельных углеродных волокон, скрепленных вместе и защищенных органическим покрытием или размером, например полиэтиленоксид (PEO) или поливиниловый спирт (ПВА). Жгут удобно разматывать с катушки для использования. Каждая углеродная нить в жгуте представляет собой сплошной цилиндр диаметром 5–10 мм. микрометры и состоит почти исключительно из углерод. Самое раннее поколение (например, T300, HTA и AS4) имело диаметр 16–22 микрометры.[7] Более поздние волокна (например, IM6 или IM600) имеют диаметр примерно 5 микрометров.[7]

Атомная структура углеродного волокна аналогична структуре графит, состоящий из листов карбона атомы организован в регулярный шестиугольник шаблон (графен листов), разница заключается в способе сцепления этих листов. Графит - это кристаллический материал, в котором листы уложены параллельно друг другу в обычном порядке. Межмолекулярные силы между листами относительно слабые. Силы Ван-дер-Ваальса, что придает графиту мягкость и хрупкость.

В зависимости от прекурсора для изготовления волокна углеродное волокно может быть турбостратным или графитовым, либо иметь гибридную структуру с присутствием как графитовой, так и турбостратной частей. В турбостратном углеродном волокне слои атомов углерода случайно сложены или смяты вместе. Углеродные волокна, полученные из полиакрилонитрил (PAN) являются турбостратными, тогда как углеродные волокна, полученные из мезофаза подача графитовые после термообработки при температурах выше 2200 ° C. Турбостратные углеродные волокна имеют тенденцию к высокой предел прочности, тогда как термообработанные углеродные волокна на основе мезофазного пека имеют высокую Модуль для младших (т.е. высокая жесткость или сопротивление растяжению под нагрузкой) и высокий теплопроводность.

Приложения

Дужки солнцезащитных очков из углеродного волокна и рама велосипеда из углеродного волокна
Хвост радиоуправляемого вертолета, сделанный из полимер, армированный углеродным волокном

В 2012 году прогнозируемый мировой спрос на рынок углеродного волокна составлял 1,7 миллиарда долларов с расчетным ежегодным ростом на 10–12% с 2012–2018 годов.[8] Самый высокий спрос на углеродное волокно исходит от самолетов и авиакосмической отрасли, энергии ветра, а также от автомобильной промышленности с оптимизированными системами смол.[9][10]

Углеродное волокно может иметь более высокую стоимость, чем другие материалы, что является одним из ограничивающих факторов внедрения. В сравнении между сталь и материалы из углеродного волокна для автомобильные материалы углеродное волокно может быть в 10-12 раз дороже. Однако за последнее десятилетие эта надбавка к стоимости снизилась с оценки в 35 раз дороже стали в начале 2000-х годов.[11]

Композитные материалы

Углеродное волокно чаще всего используется для усиления композитные материалы, особенно класс материалов, известный как полимеры, армированные углеродным волокном или графитом. Неполимерные материалы также могут использоваться в качестве матрицы для углеродных волокон. Из-за образования металла карбиды и коррозия соображений, углерод имеет ограниченный успех в композит с металлической матрицей Приложения. Армированный углерод-углерод (RCC) состоит из графита, армированного углеродным волокном, и конструктивно используется в высокотемпературных приложениях. Волокно также находит применение в фильтрация высокотемпературных газов, как электрод с большой площадью поверхности и безупречным коррозия сопротивление, и как анти-статический составная часть. Формовка тонкого слоя углеродных волокон значительно улучшает огнестойкость полимеров или термореактивных композитов, поскольку плотный и компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло.[12]

Растущее использование композитов из углеродного волокна вытесняет алюминий из аэрокосмической промышленности в пользу других металлов из-за проблем гальванической коррозии.[13][14]

Углеродное волокно можно использовать в качестве добавки к асфальту для изготовления электропроводящего асфальтобетона.[15] Использование этого композитного материала в транспортной инфраструктуре, особенно для покрытия аэропортов, уменьшает некоторые проблемы с зимним обслуживанием, которые привели к отмене или задержке рейсов из-за наличия льда и снега. При прохождении тока через трехмерную сеть углеродных волокон композитного материала рассеивается тепловая энергия, повышающая температуру поверхности асфальта, способного растапливать лед и снег над ним.[16]

Текстиль

Мотоциклетные перчатки с защитой из углеродного волокна для связок пальцев

Прекурсоры для углеродных волокон полиакрилонитрил (СКОВОРОДА), район и подача. Нити из углеродного волокна используются в нескольких технологиях обработки: непосредственно используются для предварительной подготовки, намотки волокон, пултрузии, ткачества, плетения и т. Д. Пряжа из углеродного волокна оценивается по линейной плотности (вес на единицу длины, т. Е. 1 г / 1000 m = 1текс ) или по количеству нитей на количество пряжи в тысячах. Например, 200 текс для 3000 нитей углеродного волокна в три раза прочнее, чем 1000 углеродных нитей, но также в три раза тяжелее. Затем этот поток можно использовать для ткать нить из углеродного волокна ткань или ткань. Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного переплетения. Некоторые часто используемые типы переплетения: саржа, атлас и простой. Углеродные нити также могут быть вязанный или плетеный.

Микроэлектроды

Углеродные волокна используются для производства углеродного волокна. микроэлектроды. В этом приложении обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запечатано в стеклянном капилляре.[17] На конце капилляр либо герметизируется эпоксидной смолой и полируется, чтобы получился дисковый микроэлектрод из углеродного волокна, либо волокно нарезается на длину 75–150 мкм, чтобы сделать цилиндрический электрод из углеродного волокна. Углеродное волокно микроэлектроды используются либо в амперометрия или циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием для обнаружения биохимических сигналов.

Гибкое отопление

Куртка из углеродного волокна с подогревом

Углеродные волокна, известные своей проводимостью, могут сами по себе нести очень малые токи. Будучи вплетенными в более крупные ткани, они могут использоваться для надежного инфракрасного обогрева там, где требуются гибкие нагревательные элементы, и благодаря своим физическим свойствам могут легко выдерживать температуры выше 100 ° C. Многие примеры этого типа приложений можно увидеть в Сделай сам подогреваемые предметы одежды и одеяла. Благодаря своей химической инертности его можно относительно безопасно использовать с большинством тканей и материалов; однако короткое замыкание, вызванное складыванием материала на себя, приведет к повышенному выделению тепла и может привести к пожару.

Синтез

Синтез углеродного волокна из полиакрилонитрил (СКОВОРОДА):
  1. Полимеризация акрилонитрил в PAN,
  2. Циклизация во время низкотемпературного процесса,
  3. Высокотемпературная окислительная обработка карбонизации (удаление водорода). После этого начинается процесс графитизации, при котором азот удаляется и цепи соединяются в графитовые плоскости.

Каждая углеродная нить изготовлена ​​из полимер такие как полиакрилонитрил (СКОВОРОДА), район, или нефть подача. Все эти полимеры известны как предшественник. Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала закрученный в филаментные нити, используя химические и механические процессы для первоначального выравнивания молекул полимера таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Состав прекурсора и механические процессы, используемые при прядении элементарной пряжи, могут отличаться от производителей. После вытяжки или прядения пряжа из полимерных волокон нагревается для удаления неуглеродных атомов (карбонизация ), производя окончательное углеродное волокно. Нити из углеродных волокон могут быть дополнительно обработаны для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотаны на шпульки.[18]

Подготовка углеродного волокна
Гибкость ткани на основе углеродного вискозы

Обычный метод производства включает нагревание пряденных нитей PAN примерно до 300 ° C на воздухе, что разрывает многие водородные связи и окисляет материал. В окисленный Затем PAN помещают в печь, имеющую инертную атмосферу газа, такого как аргон и нагревают примерно до 2000 ° C, что вызывает графитизация материала, изменяя структуру молекулярных связей. При нагревании в правильных условиях эти цепи сцепляются из стороны в сторону (лестничные полимеры), образуя узкие графен листы, которые в конечном итоге сливаются, образуя единую столбчатую нить. В результате обычно 93–95% углерода. Волокно более низкого качества можно производить, используя подача или район в качестве предшественника вместо PAN. Углерод может быть дополнительно усилен до высокомодульного или высокопрочного углерода с помощью процессов термической обработки. Углерод, нагретый в диапазоне 1500–2000 ° С (карбонизация), показывает наибольшую предел прочности (5,650 МПа, или 820 000 psi ), тогда как углеродное волокно, нагретое от 2500 до 3000 ° C (графитизация), демонстрирует более высокую модуль упругости (531 ГПа, или 77 000 000 фунтов на квадратный дюйм).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Дэн, Юлян (2007). Электронные межкомпонентные соединения из углеродного волокна (PDF) (Тезис). В архиве (PDF) из оригинала на 2019-04-04. Получено 2017-03-02.
  2. ^ «Углеродные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками». Национальные исторические химические достопримечательности. Американское химическое общество. 2003 г. В архиве из оригинала от 27.04.2014. Получено 2014-04-26.
  3. ^ «Одаренные люди, работавшие на Эдисона». Служба национальных парков. В архиве из оригинала от 07.02.2015. Получено 2014-12-01.
  4. ^ США 2957756, Бэкон, Роджер, «Нитевидный графит и способ его получения», выпущенный 1960-10-25. 
  5. ^ «Точки стенда». Международный рейс: 481. 1968-09-26. Архивировано из оригинал на 2014-08-14. Получено 2014-08-14 - через Flight Global Archive.
  6. ^ "Роллс-Ройс - Грейс Гид". www.gracesguide.co.uk. Получено 2020-09-22.
  7. ^ а б Cantwell, W.J .; Мортон, Дж. (1991). «Ударопрочность композитных материалов - обзор». Композиты. 22 (5): 347–362. Дои:10.1016 / 0010-4361 (91) 90549-В.
  8. ^ Дас, Суджит; Уоррен, Джош; Запад, Девин (май 2016 г.). «Глобальный анализ конкурентоспособности цепочки поставок композитов из углеродного волокна» (PDF). Центр анализа производства чистой энергии. В архиве (PDF) из оригинала от 29.03.2017. Получено 2017-05-24.
  9. ^ «Обзор рынка: мировой рынок композитных материалов из углеродного волокна». Acmite Market Intelligence. Май 2016. В архиве из оригинала от 02.09.2011.
  10. ^ Хиллермайер, Роман В .; Хассон, Тарек; Фридрих, Ларс; Болл, Седрик (2013). «Усовершенствованная матричная технология термореактивной смолы для массового производства автомобильных композитных конструкций нового поколения» (PDF). Серия технических документов SAE. 1. Технический документ SAE. Дои:10.4271/2013-01-1176. Архивировано из оригинал (PDF) 2015-09-21.
  11. ^ Брегар, Билл (5 августа 2014 г.). «Цена удерживает углеродное волокно от массового внедрения - Новости пластмасс». Новости пластмасс. Атланта: Crain Communications, Inc. Архивировано из оригинал на 2016-12-09. Получено 2017-05-25.
  12. ^ Zhao, Z .; Гоу, Дж. (2009). «Повышенная огнестойкость термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами». Sci. Technol. Adv. Матер. 10 (1): 015005. Bibcode:2009STAdM..10a5005Z. Дои:10.1088/1468-6996/10/1/015005. ЧВК  5109595. PMID  27877268.
  13. ^ Банис, Дэвид; Марсо, Дж. Артур; Мохагех, Майкл (июль 1999 г.). «Дизайн для защиты от коррозии». Аэро. № 7. Боинг. В архиве из оригинала от 02.09.2013. Получено 2018-05-07.
  14. ^ Уорик, Грэм; Норрис, Гай (2013-05-06). "Металлы возвращаются с развитием производства". Авиационная неделя и космические технологии. Архивировано из оригинал 27 апреля 2015 г.
  15. ^ Нотани, Мохаммед Али; Арабзаде Али; Джейлан, Халил; Ким, Сунгван (июнь 2019 г.). «Влияние свойств углеродного волокна на объемный и омический нагрев электропроводящего асфальтобетона». Журнал материалов в гражданском строительстве. НАС. 31 (9): 04019200. Дои:10.1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0002868.
  16. ^ Арабзаде Али; Нотани, Мохаммед Али; Заде, Аюб Каземиян; Нахви, Али; Сассани, Алиреза; Джейлан, Халил (2019-09-15). «Электропроводящий асфальтобетон: альтернатива для автоматизации зимнего обслуживания транспортной инфраструктуры». Композиты Часть B: Инженерия. НАС. 173: 106985. Дои:10.1016 / j.compositesb.2019.106985.
  17. ^ Пайк, Кэролайн М .; Grabner, Chad P .; Харкинс, Эми Б. (2009-05-04). «Изготовление амперометрических электродов». Журнал визуализированных экспериментов (27): 1040. Дои:10.3791/1040. ЧВК  2762914. PMID  19415069.
  18. ^ "Как производится углеродное волокно?". Золтек. 2017-08-10. В архиве из оригинала от 19.03.2015.

внешние ссылки