Alles over koolstofvezel

Alles weten over koolstofvezel is erg belangrijk voor elke moderne persoon. Als u de technologie van koolstofproductie in Rusland, de dichtheid en andere kenmerken van koolstofvezel begrijpt, zal het gemakkelijker zijn om de reikwijdte van de toepassing ervan te begrijpen en de juiste keuze te maken. Daarnaast moet u alles te weten komen over plamuur en vloerverwarming met koolstofvezel, over buitenlandse fabrikanten van dit product en over verschillende toepassingsgebieden.

De namen koolstofvezel en koolstofvezel, en in een aantal bronnen ook koolstofvezel, komen veel voor. Maar het idee van de werkelijke kenmerken van deze materialen en de mogelijkheden van hun gebruik is voor veel mensen heel anders. Vanuit technisch oogpunt, dit materiaal is samengesteld uit draden met een doorsnede van niet minder dan 5 en niet meer dan 15 micron... Bijna de hele samenstelling bestaat uit koolstofatomen - vandaar de naam. Deze atomen zelf zijn gegroepeerd in heldere kristallen die parallelle lijnen vormen.

Dit ontwerp biedt een zeer hoge treksterkte. Koolstofvezel is geen geheel nieuwe uitvinding. De eerste monsters van een soortgelijk materiaal werden door Edison ontvangen en gebruikt. Later, in het midden van de twintigste eeuw, beleefde koolstofvezel een renaissance - en sindsdien is het gebruik ervan gestaag toegenomen.

Het belangrijkste kenmerk van koolstofvezel blijft zijn uitzonderlijke hittebestendigheid... Zelfs als de stof wordt verwarmd tot 1600 - 2000 graden, zullen de parameters bij afwezigheid van zuurstof in de omgeving niet veranderen. De dichtheid van dit materiaal is, naast het gebruikelijke, ook lineair (gemeten in de zogenaamde tex). Met een lineaire dichtheid van 600 tex, zal de massa van 1 km baan 600 g zijn.In veel gevallen is de elasticiteitsmodulus van het materiaal, of, zoals ze zeggen, Young's modulus, ook van cruciaal belang.

Voor vezels met een hoge sterkte varieert dit cijfer van 200 tot 250 GPa. Koolstofvezel met hoge modulus op basis van PAN heeft een elasticiteitsmodulus van ongeveer 400 GPa. Voor vloeibare kristaloplossingen kan deze parameter variëren van 400 tot 700 GPa. De elasticiteitsmodulus wordt berekend op basis van de schatting van de waarde wanneer afzonderlijke grafietkristallen worden uitgerekt. De oriëntatie van de atomaire vlakken wordt bepaald met behulp van röntgendiffractie-analyse.

De standaard oppervlaktespanning is 0,86 N/m. Bij de verwerking van het materiaal om een ​​metaal-composietvezel te verkrijgen, loopt dit cijfer op tot 1,0 N/m. De meting door de capillaire opstijgingsmethode helpt bij het bepalen van de overeenkomstige parameter. Het smeltpunt van vezels op basis van petroleumpekken is 200 graden. Het spinnen vindt plaats op ongeveer 250 graden; het smeltpunt van andere soorten vezels hangt rechtstreeks af van hun samenstelling.

De maximale breedte van carbondoeken is afhankelijk van technologische eisen en nuances. Voor veel fabrikanten is dat 100 of 125 cm. Wat betreft de axiale sterkte, deze is gelijk aan:

• voor producten met hoge sterkte op basis van PAN van 3000 tot 3500 MPa;
• voor vezels met aanzienlijke rek, strikt 4500 MPa;
• voor materiaal met hoge modulus van 2000 tot 4500 MPa.

Theoretische berekeningen van de stabiliteit van een kristal onder een trekkracht naar het atomaire vlak van het rooster geven een geschatte waarde van 180 GPa.De verwachte praktische limiet is 100 GPa. Experimenten hebben echter nog niet de aanwezigheid van een niveau van meer dan 20 GPa bevestigd. De echte kracht van koolstofvezel wordt beperkt door de mechanische defecten en de nuances van het productieproces. De treksterkte van een sectie met een lengte van 1/10 mm, vastgesteld in praktijkstudies, zal van 9 tot 10 GPa zijn.

De T30 koolstofvezel verdient speciale aandacht. Dit materiaal wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van staven. Deze oplossing onderscheidt zich door zijn lichtheid en uitstekende balans. De T30-index geeft een elasticiteitsmodulus van 30 ton aan.

Koolstofvezel kan worden gemaakt van een breed scala aan polymeertypen. De verwerkingsmodus bepaalt twee hoofdtypen van dergelijke materialen - verkoolde en gegrafitiseerde typen. Er bestaat een belangrijk onderscheid tussen vezels afgeleid van PAN en verschillende peksoorten. Kwaliteitskoolstofvezels, zowel in hoge sterkte als in hoge modulus, kunnen verschillende hardheids- en modulusniveaus hebben. Het is gebruikelijk om ze naar verschillende merken te verwijzen.

Vezels worden gemaakt in filament- of bundelformaat. Ze zijn gevormd uit 1000 tot 10000 continue filamenten. Van deze vezels kunnen ook stoffen gemaakt worden, zoals tows (in dit geval is het aantal filamenten nog groter). De uitgangsgrondstof is niet alleen eenvoudige vezels, maar ook vloeibare kristalpekken, evenals polyacrylonitril. Het productieproces omvat eerst de productie van de originele vezels en vervolgens worden ze in lucht verwarmd op 200 - 300 graden.

In het geval van PAN wordt dit proces voorbehandeling of brandwerendheidsverbetering genoemd. Na zo'n procedure krijgt pek zo'n belangrijke eigenschap als infusibility. De vezels zijn gedeeltelijk geoxideerd. De wijze van verdere verwarming bepaalt of ze tot de verkoolde of gegrafitiseerde groep zullen behoren. Het einde van het werk houdt in dat het oppervlak de nodige eigenschappen krijgt, waarna het wordt afgewerkt of op maat wordt gemaakt.

Oxidatie in lucht verhoogt niet alleen de brandwerendheid als gevolg van oxidatie. De bijdrage wordt niet alleen geleverd door gedeeltelijke dehydrogenering, maar ook door intermoleculaire verknoping en andere processen. Bovendien wordt de gevoeligheid van het materiaal voor smelten en vervluchtigen van koolstofatomen verminderd. Verkoling (in de hogetemperatuurfase) gaat gepaard met vergassing en het ontsnappen van alle vreemde atomen.

Hun daaropvolgende carbonisatie wordt uitgevoerd in een stikstofomgeving bij 1000 - 1500 graden. Het optimale verwarmingsniveau is volgens een aantal technologen 1200 - 1400 graden. Vezels met hoge modulus moeten worden verwarmd tot ongeveer 2500 graden. In het voortraject krijgt PAN een laddermicrostructuur. Condensatie op intramoleculair niveau, vergezeld van het verschijnen van een polycyclische aromatische stof, is "verantwoordelijk" voor het optreden ervan.

Hoe meer de temperatuur stijgt, hoe groter de structuur van het cyclische type zal zijn. Na het einde van de warmtebehandeling volgens de technologie is de rangschikking van moleculen of aromatische fragmenten zodanig dat de hoofdassen evenwijdig aan de vezelas zullen zijn. De spanning voorkomt het vallen van de mate van oriëntatie. De specifieke kenmerken van PAN-ontleding tijdens warmtebehandeling worden bepaald door de concentratie van geënte monomeren. Elk type van dergelijke vezels bepaalt de initiële verwerkingsomstandigheden.

Vloeibaar kristalaardoliepek moet lange tijd worden bewaard bij temperaturen van 350 tot 400 graden. Deze modus zal leiden tot condensatie van polycyclische moleculen. Hun massa neemt toe en geleidelijk aan elkaar plakken (met de vorming van sferulieten). Als de verwarming niet stopt, groeien de sferulieten, neemt het molecuulgewicht toe en het resultaat is de vorming van een continue vloeibaar-kristallijne fase. Kristallen zijn af en toe oplosbaar in chinoline, maar meestal lossen ze niet zowel daarin als in pyridine op (dit hangt af van de nuances van de technologie).

Vezels verkregen uit vloeibare kristalpek met 55 - 65% vloeibare kristallen vloeien plastisch. Het spinnen wordt uitgevoerd op 350 - 400 graden. Een sterk georiënteerde structuur wordt gevormd door aanvankelijke verwarming in een luchtatmosfeer op 200 - 350 graden en vervolgens in een inerte atmosfeer te houden. Vezels van het merk Thornel P-55 moeten worden verwarmd tot 2000 graden, hoe hoger de elasticiteitsmodulus, hoe hoger de temperatuur.

De laatste tijd besteden wetenschappelijke en technische werken steeds meer aandacht aan de technologie met behulp van hydrogenering. De initiële productie van vezels wordt vaak bewerkstelligd door een mengsel van koolteerpek en naftalaathars te hydrogeneren. In dit geval moet tetrahydrochinoline aanwezig zijn. De verwerkingstemperatuur is 380 - 500 graden. Vaste stoffen kunnen worden verwijderd door filtratie en centrifugeren; vervolgens worden de peken bij verhoogde temperatuur ingedikt. Voor de productie van koolstof is het noodzakelijk om (afhankelijk van de technologie) een heel scala aan apparatuur te gebruiken:

• lagen die vacuüm verdelen;
• pompen;
• afdichting harnassen;
• werktafels;
• vallen;
• geleidend gaas;
• vacuüm films;
• prepregs;
• autoclaven.

De volgende koolstofvezelfabrikanten zijn toonaangevend op de wereldmarkt:

• Thornell, Fortafil en Celion (Verenigde Staten);
• Grafil en Modmore (Engeland);
• Kureha-Lone en Toreika (Japan);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL-groep;
• Toray-industrieën;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Tegenwoordig wordt koolstof geproduceerd in Rusland:

• Chelyabinsk fabriek van koolstof en composietmaterialen;
• Balakovo Koolstofproductie;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Saratov-onderneming "START".

Koolstofvezel wordt gebruikt om composietversterking te maken. Het is ook gebruikelijk om het te gebruiken om:

• bi-directionele weefsels;
• designer stoffen;
• biaxiaal en quadroaxiaal weefsel;
• niet-geweven stof;
• unidirectionele band;
• prepregs;
• externe versterking;
• vezel;
• harnassen.

Een nogal serieuze innovatie is nu: infrarood warme vloer. In dit geval wordt het materiaal gebruikt als vervanging voor de traditionele metaaldraad. Het kan 3 keer meer warmte genereren, bovendien wordt het energieverbruik met ongeveer 50% verminderd. Liefhebbers van het modelleren van complexe technieken gebruiken vaak koolstofbuizen die zijn verkregen door op te winden. Deze producten zijn ook in trek bij fabrikanten van auto's en andere apparatuur. Koolstofvezel wordt bijvoorbeeld vaak gebruikt voor handremmen. Verkrijg ook op basis van dit materiaal:

• onderdelen voor vliegtuigmodellen;
• kappen uit één stuk;
• fietsen;
• onderdelen voor het tunen van auto's en motorfietsen.

Carbon stoffen panelen zijn 18% stijver dan aluminium en 14% meer dan constructiestaal... Mouwen op basis van dit materiaal zijn nodig om buizen en buizen met variabele doorsnede, spiraalvormige producten met verschillende profielen te verkrijgen. Ze worden ook gebruikt voor de productie en reparatie van golfclubs. Het is ook de moeite waard om te wijzen op het gebruik ervan. bij de productie van bijzonder duurzame hoesjes voor smartphones en andere gadgets. Dergelijke producten hebben meestal een premium karakter en hebben verbeterde decoratieve kwaliteiten.

Wat betreft het gedispergeerde poeder van het grafiettype, is het nodig:

• bij het ontvangen van elektrisch geleidende coatings;
• bij het loslaten van verschillende soorten lijm;
• bij het versterken van mallen en sommige andere onderdelen.

Koolstofvezelplamuur is op een aantal manieren beter dan traditionele stopverf. Deze combinatie wordt door veel experts gewaardeerd om zijn plasticiteit en mechanische sterkte. De samenstelling is geschikt voor het afdekken van diepe gebreken. Carbon staven of hengels zijn sterk, lichtgewicht en gaan lang mee. Dergelijk materiaal is nodig voor:

• luchtvaart;
• de raketindustrie;
• vrijgeven van sportartikelen.

Door pyrolyse van carbonzuurzouten kunnen ketonen en aldehyden worden verkregen.Dankzij de uitstekende thermische eigenschappen van koolstofvezel kan het worden gebruikt in kachels en verwarmingskussens. Dergelijke kachels:

• economisch;
• betrouwbaar;
• onderscheiden zich door indrukwekkende efficiëntie;
• verspreid geen gevaarlijke straling;
• relatief compact;
• perfect geautomatiseerd;
• bediend zonder onnodige problemen;
• verspreid geen vreemd geluid.

Koolstof-koolstofcomposieten worden gebruikt bij de productie van:

• steunen voor smeltkroezen;
• taps toelopende onderdelen voor vacuümsmeltovens;
• buisvormige onderdelen voor hen.

Extra toepassingsgebieden zijn onder meer:

• zelfgemaakte messen;
• gebruik voor een bloembladklep op motoren;
• gebruik in de bouw.

Moderne bouwers gebruiken dit materiaal al lang niet alleen voor externe versterking. Het is ook nodig om stenen huizen en zwembaden te versterken. De verlijmde versterkingslaag herstelt de kwaliteiten van steunen en balken in bruggen. Het wordt ook gebruikt bij het maken van septic tanks en het inlijsten van natuurlijke, kunstmatige reservoirs, bij het werken met een caisson en een siloput.

In de volgende video vindt u meer informatie over de productie van koolstofvezel.