 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( февраль 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
| Часть серии по |
| Волокно |
|---|
 |
| Натуральные волокна |
| Искусственные волокна |
|
Категория: ВолокнаУглеродные волокна или углеродные волокна (альтернативно CF, графитовое волокно или графитовое волокно) представляют собой волокна диаметром от 5 до 10 микрометров (0,00020–0,00039 дюйма), состоящие в основном из атомов углерода . 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, образуя жгут , который можно использовать отдельно или сплетать в ткань.
Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами для образования композитного материала . Когда он пропитан пластиковой смолой и обожжен , он образует армированный углеродным волокном полимер (часто называемый углеродным волокном), который имеет очень высокое отношение прочности к весу и является чрезвычайно жестким, хотя и несколько хрупким. Углеродные волокна также входят в состав других материалов, таких как графит , для образования армированных углерод-углеродных композитов, которые обладают очень высокой термостойкостью.
История [ править ]
В 1860 году Джозеф Свон впервые произвел углеродные волокна для использования в лампах. [1] В 1879 году Томас Эдисон выпекал хлопковые нити или бамбуковые ленточки при высоких температурах, карбонизируя их в нить из углеродного волокна, которая использовалась в одной из первых ламп накаливания, нагреваемых электричеством. [2] В 1880 году Льюис Латимер разработал надежную углеродную проволочную нить для лампы накаливания, нагреваемой электричеством. [3]
В 1958 году Роджер Бэкон создал высокоэффективные углеродные волокна в техническом центре Union Carbide Parma, расположенном за пределами Кливленда , штат Огайо . [4] Эти волокна были изготовлены путем нагрева нитей искусственного шелка до карбонизации . Этот процесс оказался неэффективным, поскольку полученные волокна содержали только около 20% углерода и имели низкие характеристики прочности и жесткости. В начале 1960-х годов доктором Акио Шиндо из Агентства промышленных наук и технологий Японии был разработан процесс с использованием полиакрилонитрила.(ПАН) в качестве сырья. Так получилось углеродное волокно, содержащее около 55% углерода. В 1960 году Ричард Миллингтон из HI Thompson Fiberglas Co. разработал способ (патент США № 3294489) для производства волокна с высоким содержанием углерода (99%) с использованием вискозы в качестве предшественника. 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 Министерством обороны Великобритании , затем передан Британской национальной корпорацией по развитию исследований трем компаниям: Rolls-Royce , которые уже производили углеродное волокно; Морганит; и Курто . В течение нескольких лет, после успешного использования в 1968 г. в Hyfil углеродного волокна вентилятора в сборе в Rolls-Royce Conway реактивных двигателей Vickers VC10 , [5]Компания Rolls-Royce воспользовалась свойствами нового материала, чтобы выйти на американский рынок со своим авиадвигателем RB-211 с лопастями компрессора из углеродного волокна. К сожалению, лезвия оказались уязвимыми для повреждений от удара птиц . Эта и другие проблемы вызвали у Rolls-Royce такие неудачи, что компания была национализирована в 1971 году. Завод по производству углеродного волокна был продан и образован Bristol Composite Materials Engineering Ltd [6] (часто называемый Bristol Composites).
В конце 1960-х японцы стали лидерами в производстве углеродных волокон на основе PAN. Совместное технологическое соглашение 1970 года позволило Union Carbide производить продукцию Toray Industries в Японии . 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 влияли на органический процесс, используемый другими производителями углеродного волокна, что привело к тому, что Courtaulds прекратил 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 пределом прочности на разрыв 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 основным деталям, сначала в военных, а затем и в гражданских самолетах, например в самолетах McDonnell Douglas, Boeing, Airbus и United Aircraft Corporation .
Структура и свойства [ править ]
Углеродное волокно часто поставляется в виде непрерывного жгута, намотанного на катушку. Жгут представляет собой пучок тысяч непрерывных отдельных углеродных нитей, скрепленных вместе и защищенных органическим покрытием или клеем, например полиэтиленоксидом (ПЭО) или поливиниловым спиртом (ПВС). Жгут удобно разматывать с катушки для использования. Каждая углеродная нить в жгуте представляет собой непрерывный цилиндр диаметром 5–10 микрометров и состоит почти исключительно из углерода . Самое раннее поколение (например, T300, HTA и AS4) имело диаметр 16–22 микрометра . [7] Более поздние волокна (например, IM6 или IM600) имеют диаметр примерно 5 микрометров. [7]
Атомная структура углеродного волокна похожа на структуру графита , состоящую из листов атомов углерода, расположенных в правильном шестиугольном узоре ( листы графена ), разница заключается в том, как эти листы сцепляются друг с другом. Графит - это кристаллический материал, в котором листы равномерно уложены параллельно друг другу. Межмолекулярные силы между листами представляют собой относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса , что придает графиту его мягкость и хрупкость.
В зависимости от прекурсора для изготовления волокна углеродное волокно может быть турбостратным или графитовым или 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 полиакрилонитрила (PAN), являются турбостратными, тогда как углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, являются графитовыми после термообработки при температурах, превышающих 2200 ° C. Турбостратные углеродные волокна имеют тенденцию иметь высокий предел прочности на разрыв , тогда как термообработанные углеродные волокна на основе мезофазного пека имеют высокий модуль упругости (т.е. высокую жесткость или сопротивление растяжению под нагрузкой) и высокую теплопроводность..
Приложения [ править ]
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. По сравнению со сталью и углеродным волокном для автомобильных материалов , 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 [ править ]
Углеродное волокно чаще всего используется для армирования композитных материалов , особенно из класса материалов, известных как углеродное волокно или полимеры, армированные графитом . Неполимерные материалы также могут использоваться в качестве матрицы для углеродных волокон. Из-за образования карбидов металлов и соображений коррозии углерод имеет ограниченный успех в композиционных материалах с металлической матрицей . Армированный углерод-углерод (RCC) состоит из графита, армированного углеродным волокном, и конструктивно используется в высокотемпературных приложениях. Волокно также находит применение при фильтрации высокотемпературных газов, в качестве электрода с большой площадью поверхности и безупречнымкоррозионная стойкость и как антистатический компонент. Формовка тонкого слоя углеродных волокон значительно улучшает огнестойкость полимеров или термореактивных композитов, поскольку плотный, 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 аэропорта, 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 [ править ]
Прекурсорами углеродных волокон являются полиакрилонитрил (ПАН), вискоза и смола . 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 = 1 текс ) или по количеству нитей на количество пряжи в тысячах. Например, 200 текс для 3000 нитей углеродного волокна в три раза прочнее, чем 1000 углеродных волокон, но также в три раза тяжелее. Этот поток затем может быть использован для переплетения из углеродного волокна нити ткани или ткани. Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного переплетения. Некоторые часто используемые виды плетения являются саржа , сатин и равнину . Пряжа из углеродных волокон также может быть связана или плетеной .
Микроэлектроды [ править ]
Углеродные волокна используются для изготовления углеродных микроэлектродов . В этом случае одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм обычно помещается в стеклянный капилляр. [17] На конце капилляр либо герметизируется эпоксидной смолой и полируется, чтобы сделать дисковый микроэлектрод из углеродного волокна, либо волокно разрезают на длину 75–150 мкм, чтобы сделать цилиндрический электрод из углеродного волокна. Углеродные волокна микроэлектродов используются либо в амперометрия или быстрого сканирования циклической вольтамперометрии для обнаружения биохимических сигналов.
Гибкое отопление [ править ]
Углеродные волокна, известные своей проводимостью или ее отсутствием, могут сами по себе нести очень низкие 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. Много примеров такого применения можно увидеть в DIY нагретых предметов одежды и одеял. 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 [ править ]
- Полимеризация акрилонитрила в ПАН,
- Циклизация при низкотемпературном процессе,
- Высокотемпературная окислительная обработка карбонизации (удаление водорода). После этого начинается процесс графитизации, при котором удаляется азот и цепочки соединяются в графитовые плоскости.
Каждая углеродная нить производится из полимера, такого как полиакрилонитрил (PAN), вискоза или нефтяной пек . Все эти полимеры известны как прекурсоры . Для синтетических полимеров, таких как PAN или искусственный шелк, прекурсор сначала прядут в филаментные волокна с использованием химических и механических процессов 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 различаться у разных 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 бобины . [18]
Обычный метод производства включает нагревание пряденных нитей PAN примерно до 300 ° C на воздухе, что разрывает многие водородные связи и окисляет материал. Окисленного ПАН затем помещают в печь , имеющей инертную атмосферу газа , такого как аргон , и нагревают до примерно 2000 ° С, который индуцирует графитизации материала, изменение структуры молекулярной связи. При нагревании в правильных условиях эти цепи связываются из стороны в сторону (лестничные полимеры), образуя узкие листы графена, которые в конечном итоге сливаются, образуя единую столбчатую нить. В результате обычно 93–95% углерода. Волокно более низкого качества можно производить из смолы или искусственного шелка.в качестве предшественника вместо PAN. Углерод может быть дополнительно усилен до высокомодульного или высокопрочного углерода с помощью процессов термической обработки. Углерод, нагретый до температуры 1500–2000 ° C (карбонизация), демонстрирует самый высокий предел прочности на разрыв (5650 МПа или 820 000 фунтов на кв. Дюйм ), тогда как углеродное волокно, нагретое от 2500 до 3000 ° C (графитизация), демонстрирует более высокий модуль упругости (531 ГПа). , или 77000000 фунтов на квадратный дюйм).
См. Также [ править ]
- Базальтовое волокно
- Полимер, армированный углеродным волокном
- Керамический материал, армированный углеродным волокном
- Углеродная нанотрубка
- Материалы ESD
- Графен
Ссылки [ править ]
- ^ Дэн, Юлян (2007). Электронные межкомпонентные соединения из углеродного волокна (PDF) (Диссертация). Архивировано (PDF) из оригинала 04.04.2019 . Проверено 2 марта 2017 .
- ^ "Высокоэффективные углеродные волокна" . Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество. 2003. Архивировано 27 апреля 2014 года . Проверено 26 апреля 2014 .
- ^ «Одаренные люди, которые работали на Эдисона» . Служба национальных парков. Архивировано 07 февраля 2015 года . Проверено 1 декабря 2014 .
- ^ США 2957756 , Бэкон, Роджер, «Нитевидный графит и способ его получение», выданный 1960-10-25
- ^ «Точки стенда» . Международный рейс : 481. 1968-09-26. Архивировано из оригинала на 2014-08-14 . Проверено 14 августа 2014 г. - из глобального архива Flight.
- ^ "Роллс-Ройс - Грейс Гид" . www.gracesguide.co.uk . Проверено 22 сентября 2020 .
- ^ a b Cantwell, WJ; Мортон, Дж. (1991). «Ударопрочность композитных материалов - обзор». Композиты . 22 (5): 347–362. DOI : 10.1016 / 0010-4361 (91) 90549-V .
- ^ Дас, Суджит; Уоррен, Джош; Запад, Девин (май 2016 г.). «Глобальный анализ конкурентоспособности цепочки поставок композитов из углеродного волокна» (PDF) . Центр анализа производства чистой энергии. Архивировано (PDF) из оригинала 29 марта 2017 года . Проверено 24 мая 2017 .
- ^ "Отчет о рынке: Мировой рынок композитных материалов из углеродного волокна" . Acmite Market Intelligence. Май 2016. Архивировано 02 сентября 2011 года.
- ^ 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 статей SAE . 1 . Технический документ SAE. DOI : 10.4271 / 2013-01-1176 . Архивировано из оригинального (PDF) 21 сентября 2015 года.
- ^ Bregar, Билл (5 августа 2014). «Цена удерживает углеродное волокно от массового внедрения - Новости пластмасс» . Новости пластмасс . Атланта: Крейн Communications, Inc. Архивировано из оригинала на 2016-12-09 . Проверено 25 мая 2017 .
- ^ Чжао, З .; Гоу, Дж. (2009). «Повышенная огнестойкость термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами» . Sci. Technol. Adv. Mater . 10 (1): 015005. Bibcode : 2009STAdM..10a5005Z . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 10/1/015005 . PMC 5109595 . PMID 27877268 .
- ^ Банис, Дэвид; Марсо, Дж. Артур; Мохагех, Майкл (июль 1999 г.). «Дизайн для защиты от коррозии» . Аэро . № 7. Боинг. Архивировано 2 сентября 2013 года . Проверено 7 мая 2018 .
- ^ Уорвик, Грэм; Норрис, Гай (2013-05-06). «Металлы возвращаются с развитием производства» . Авиационная неделя и космические технологии . Архивировано из оригинала на 2015-04-27.
- ^ 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. DOI : 10,1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0002868 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.compositesb.2019.106985 .
- ^ Пайк, Кэролайн М .; Grabner, Chad P .; Харкинс, Эми Б. (2009-05-04). «Изготовление амперометрических электродов» . Журнал визуализированных экспериментов (27): 1040. DOI : 10,3791 / 1040 . PMC 2762914 . PMID 19415069 .
- ^ "Как сделано углеродное волокно?" . Золтек. 2017-08-10. Архивировано 19 марта 2015 года.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с углеродными волокнами . |
- Углеродное волокно (технология) в Британской энциклопедии
- Изготовление углеродного волокна
- Как производится углеродное волокно
- [ http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1971/1971%20-%201784.html Углеродные волокна - первые 5 лет без одежды
| vтеВолокна | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Естественный |
| ||||||||
| Синтетический |
| ||||||||
| |||||||||
Commons
