Увод у карбонски влакник

1. Дефиниција и састав

Царбон влакна је материјал високих перформанси састављен углавном од атома угљеника. Ови атоми угљеника су повезани заједно у микроскопским кристалима који су мање или више поравнали паралелно са дугом оси влакана. Садржај угљеника у карбонским влакнима је обично изнад 90%. Обично се прави од полимерног прекурсора богатих угљеника, као што је полиакрилонитрил (тава), рајон или терен. Кроз низ сложених процеса, прекурсор се трансформише у угљеничко влакно, са већином уклоњених елемената који нису угљенике.

 

2. Својства и предности

Царбон влакна се може похвалити низ изванредних својстава. Прво, има изузетно високу омјер снаге и тежине. Много је лакше од челика, али може бити неколико пута јачи, што га чини идеалним за апликације где је смањење тежине пресудно без жртвовања чврстоће. Друго, карбонска влакна има одличну укоченост, што значи да се може одупријети деформацији под оптерећењем. Ова некретнина је веома цењена у инжењерским структурама.

Поред тога, карбонско влакна показује добру хемијску отпорност, може да издржи изложеност многим корозивним супстанцама. Такође има ниску топлотну експанзију, одржавајући свој облик и димензије чак и под значајним променама температуре.

Предности угљених влакана преводе у бројне користи у разним индустријама. У ваздухопловној индустрији његова лагана помаже у смањењу потрошње горива и повећати капацитет корисног терета. У аутомобилском сектору може побољшати перформансе возила и ефикасност горива током побољшања сигурности. У спортској опреми, угљеник влакна омогућава стварање лакших и више одговарајућих зупчаника, као што су тениски рекети и бицикли.

 

Процес производње угљених влакана

3. Избор прекурсора

Први корак производње угљених влакана је избор одговарајућег прекурсора. Као што је раније поменуто, уобичајени прекурсори укључују полиакрилонитрил (пан), Раион и Питцх. ПАН је најчешће коришћени прекурсор због великог приноса угљеника и могућност производње угљених влакана на снази. Раион је, с друге стране, био један од најранијих коришћених прекурсора, али има доњи принос угљеника. Питцх је нуспроизвод нафте или прераде угља и може се користити за производњу угљених влакана са различитим својствима, попут високих модулусних влакана. Избор прекурсора зависи од жељених својстава финалног производа од карбонских влакана, укључујући снагу, модул и трошкове.

 

4. Предомидација

Једном када је изабран прекурсор, то је подвргнут пре-оксидацији. Овај процес је пресудан јер стабилизује прекурску влакна и припрема их за наредни корак карбонизације. Током преничења, прекуронска влакна се загревају у окружењу богатом кисеоником, обично на температурама између 200 степени и 300 степени. То узрокује хемијске реакције унутар влакана, као што су формирање унакрсних веза између полимерних ланаца. Ове унакрсне везе спречавају влакна да се топе или спајају током карбонизације и помажу у одржавању структуре влакана. Процес пре-оксидације може трајати неколико сати, а тачни услови се пажљиво контролишу како би се осигурало јединствено лечење влакана.

 

5. карбонизација

После предиспомидације, влакна су изложена угљеници. У овом кораку, предисцидисана влакна се загревају на високе температуре, обично између 1000 степени и 2000 степени, у инертној атмосфери, као што су азот. На овим високим температурама, већина не-угљених елемената у влакнима, као што су водоник, кисеоник и азот, уклања се као испарљиви гасови. Преостали атоми угљеника преуређују се у наређену структуру, формирајући карактеристичне слојеве у облику графита угљеника. Процес карбонизације додатно повећава садржај угљеника влакана на преко 90% и значајно повећава њихову снагу и укоченост.

 

6 Грапхитизација (опционо)

Графитизација је опциони у корак у процесу производње угљених влакана. То укључује гријање карбонизованих влакана до чак и виших температура, обично изнад 2000 степени, у инертној атмосфери. На овим екстремним температурама, атоми угљеника у влакнима постају више наређени, формирајући савршенију графитну структуру. Графитизовани карбонски влакна имају виши модул еластичности, што значи да су чврсти и могу се опирати деформацији боље. Међутим, графитизација такође смањује снагу влакана у одређеној мери. Овај корак је обично резервисан за апликације у којима је потребна велика крутост, као што су у ваздухопловном компонентама и спортској опреми високог перформанси.

 

Методе формирања делова угљених влакана

7. ПултТрусион

ПултТрусион је непрекидни процес производње који се користи за стварање делова угљених влакана са константним пресеком. У овој методи се руга за карбонски влакна се повлаче кроз купку смоле да им импрегнирају смолу. Затим, импрегнирана влакна пролазе кроз загрејану умиру, где лекови за преливање и део траје свој коначни облик. Овај процес је високо ефикасан и може да произведе дуге, равне делове као што су шипке, цеви и греде. Често се користи у грађевинској и инфраструктурној индустрији због своје способности стварања јаких и лаганих структуралних компоненти.

 

8. Калупљење за вијугавање филамента

Филамент - Укључивање намотавања укључује омотавање континуираног филаментарних влакана око ротирајуће мангеле у одређеном обрасцу. Влакна су обично унапред импрегнирана резове или смолом се примењују током процеса навирања. Једном када је жељени број слојева рањен, део се излечи и мандрел се уклања. Ова метода је идеална за креирање цилиндричних или сферних делова, као што су посуде под притиском, ракетних моторних кућишта и цеви. Омогућује прецизну контролу оријентације влакана, што може оптимизирати механичка својства дела.

 

9. РТМ (лијевање преноса смоле)

Калупљење преноса смоле (РТМ) је процес затвореног калупа. Прво, предобрано је суво угљеније влакно преношење у калупљиве шупљине. Калуп је затим затворен, а смола се убризгава под притиском у шупљину, пуњење размака између влакана. Након лечења смоле, калуп се отвори, а готов део је уклоњен. РТМ може да произведе сложене делове у облику слова са високом квалитетом површине и прецизности димензија. Обично се користи у аутомобилској и ваздухопловној индустрији за производњу плоча за каросерије, ентеријерних компоненти и крила авиона.

 

10. Калупљење компресије

Калупљење компресије је процес када је претходно измерена количина угљених влакана која је претходно импрегнирана смолом (препрег) смештена у грејна калупа. Калуп је затим затворен, а притисак се наноси да би се компримирао материјал, присиљавајући га да испуни калуп и обезбеђивање одговарајуће консолидације. Како се калуп загрева, лекови смола, а део узима облик калупа. Ова метода је погодна за производњу високог јачине, дијелова велике чврстоће са релативно једноставним за умерено сложене геометрије, као што су делови за аутомобиле, структурне компоненте ваздухоплова и оквири спортске опреме. На пример, у аутомобилској индустрији, компресијским деловима угљених влакана користе се у хаубицама, спојлерима и плочама на вратима како би се смањила тежина и побољшале перформансе. У сектору ваздухопловства наноси се за прављење ребра и одсека за трупе.

 

11. Убризгавање

Убризгавање делова угљених влакана укључује топљење термопластичне смоле помешане са кратким угљеним влакнима и убризгавајући га у калупну шупљину под високим притиском. Ова метода карактерише велика брзина производње, велика прецизност и могућност стварања сложених облика са финим детаљима. Поступак је потребна специјализована машина за убризгавање која може да се бави абразивном природом карбонских влакана. Погодан је за производњу малих до средњих дијелова, као што су кућишта електронских уређаја, аутомобилске компоненте у унутрашњости и делови производа потрошача. У поређењу са другим методама попут обликовања компресије, убризгавање може постићи брже време циклуса, али може имати ограничења у погледу дужине влакана и оријентације, што може утицати на механичка својства дела.

 

Пост-обрада делова угљених влакана

12. Обрезивање и обрада

Средња и обрада формираних делова угљених влакана послужују вишеструке сврхе. Основни циљ је постизање жељених димензија и уклонити преношење прекорачења вишка материјала из процеса ливења. Ово повећава склоп дијела у склоповима. Методе укључују коришћење прецизних тестера за обрезивање и ЦНЦ обраду за сложеније операције. Приликом обављања ових задатака, пресудно је користити оштре алате за спречавање похране угљених влакана. Поред тога, одговарајућа колекција прашине је неопходна јер прашина од угљених влакана може бити штетна. Висока прецизна обрада је често потребна, са толеранцијама понекад ускамате као неколико хиљада инча, како би испунила строге стандарде индустрије попут ваздухоплове и аутомобилске и аутомобилске.

 

13. Површински третман

Уобичајене методе третмана површине за делове угљених влакана укључују премаз, сликање и полирање. Премаз може пружити заштитни слој који повећава отпор дела на животне факторе као што су влажна, УВ зрачење и хемијска корозија. Сликање не само да побољшава изглед дела, али такође може додати додатни слој заштите. Полирање може дати део глатким, високо сјајним завршетком. Површински третман може значајно побољшати издржљивост и естетску жалбу. На пример, у аутомобилској индустрији добро пресвучен део карбонских влакана може одржати свој сјајни и структурни интегритет дуже време, док у ваздухопловству може допринети укупном учинку и дуговечности компоненте.

 

Апликације и будући трендови

14. Тренутне апликације

Делови угљеника пронашли су широку употребу у различитим индустријама. У ваздушном сектору користе се у ваздухопловним крилима, секцијама трупа и компонента мотора, смањење тежине и побољшање ефикасности горива. Аутомобилска индустрија запошљава карбонски влакни за телесне плоче, унутрашње делове и компоненте за побољшање перформанси, побољшање брзине возила и руковање. Произвођачи спортске опреме користе га за креирање тениских рекета са високим перформансама, голф клубовима и бициклима. Поред тога, делови угљеника се користе у моричкој индустрији за труп брода и јарболе, а у енергетском сектору за ножеве ветроелектране.

 

15. Будући трендови

Будућност карбонске влакнастих делова технологије које се обмањује, са неколико кључних трендова које се појављују. Према истраживању индустрије, до 2030. године очекује се да ће глобално тржиште угљеног влакнасти на расту на масти од преко 10%. Један значајан тренд је побољшање процеса. Напредна аутоматизација и роботика биће све више интегрисана у процесе ливења, смањујући људску грешку и побољшање ефикасности производње. На пример, постављање аутоматизованих влакана може прецизно поставити влакна, унапређивање механичких својстава делова.

Смањење трошкова је још један кључни тренд. Како се повећавају количина количине производње и развијене су нове технике производње, очекује се да ће се трошкови делова угљених влакана одбити. Ово ће их учинити приступачнијим ширем распону индустрија.

Коначно ће доћи до ширења подручја примене. Делови угљеника вероватно ће продирати у индустрију попут потрошачке електронике, где се њихова лагана и висока својства високе чврстоће могу користити у кућиштима уређаја. У медицинском пољу могу се користити у протетичкој и хируршким инструментима, нудећи боље перформансе и удобност пацијената.