Углеродные волокна
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( февраль 2020 г. ) |
| Часть серии о |
| Волокно |
|---|
 |
| Натуральные волокна |
| Искусственные волокна |
Углеродные 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 . [1] Углеродные волокна имеют ряд преимуществ: высокую жесткость, высокую прочность на разрыв, высокое соотношение прочности и веса, высокую химическую стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. [2] Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической, гражданской, военной, автоспорте и других видах спорта. [3] Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно , базальтовые волокна или пластиковые волокна. [4]
Для производства углеродного волокна атомы углерода соединяются вместе в кристаллах, которые более или менее выровнены параллельно длинной оси волокна, поскольку выравнивание кристаллов придает волокну высокое соотношение прочности к объему (другими словами, оно прочно для его размер). Несколько тысяч углеродных волокон связываются вместе, образуя жгут , который можно использовать отдельно или вплетать в ткань.
Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами для образования композита . Например, при пропитке пластиковой смолой и запекании он образует полимер, армированный углеродным волокном (часто называемый углеродным волокном), который имеет очень высокое соотношение прочности к весу и чрезвычайно жесткий, хотя и несколько хрупкий. Углеродные волокна также комбинируются с другими материалами, такими как графит , для образования армированных углерод-углеродных композитов, которые имеют очень высокую термостойкость.
Материалы, армированные углеродным волокном, используются для изготовления деталей самолетов и космических кораблей, кузовов гоночных автомобилей, валов клюшек для гольфа, велосипедных рам, удочек, автомобильных рессор, мачт парусных лодок и многих других компонентов, где необходимы легкий вес и высокая прочность.
История
[ редактировать ]
В 1860 году Джозеф Свон впервые произвел углеродные волокна для использования в лампочках. [5] В 1879 году Томас Эдисон обжег хлопковые нити или бамбуковые щепки при высоких температурах, превратив их в карбоновую нить накаливания, которая использовалась в одной из первых ламп накаливания, нагревавшихся электричеством. [6] В 1880 году Льюис Латимер разработал надежную нить из углеродной проволоки для лампы накаливания, нагреваемой электричеством. [7]
В 1958 году Роджер Бэкон создал высокопроизводительные углеродные волокна в техническом центре Union Carbide в Парме, расположенном недалеко от Кливленда , штат Огайо . [8] Эти волокна были изготовлены путем нагревания вискозных нитей до тех пор, пока они не обуглились . Этот процесс оказался неэффективным, так как полученные волокна содержали лишь около 20% углерода. разработал процесс В начале 1960-х годов доктор Акио Синдо из Агентства промышленных наук и технологий Японии с использованием полиакрилонитрила (ПАН) в качестве сырья. В результате было получено углеродное волокно, содержащее около 55% углерода. В 1960 году Ричард Миллингтон из компании HI Thompson Fiberglas Co. разработал процесс (патент США № 3294489) производства волокна с высоким содержанием углерода (99%) с использованием вискозы в качестве предшественника. Эти углеродные волокна имели достаточную прочность (модуль упругости и предел прочности при растяжении) для использования в качестве армирования для композитов, имеющих высокие характеристики прочности и веса, а также для применений, устойчивых к высоким температурам.
Высокая потенциальная прочность углеродного волокна была реализована в 1963 году в процессе, разработанном У. Уоттом, Л. Н. Филлипсом и У. Джонсоном в Королевском авиастроительном заводе в Фарнборо, Хэмпшир . Этот процесс был запатентован Министерством обороны Великобритании , а затем лицензирован Британской национальной корпорацией исследований и развития трем компаниям: Rolls-Royce , которые уже производили углеродное волокно; Морганит; и Курто . Через несколько лет, после успешного использования в 1968 году Hyfil узла вентилятора из углеродного волокна в реактивных двигателях Rolls-Royce Conway самолета Vickers VC10 , [9] Компания Rolls-Royce воспользовалась свойствами нового материала, чтобы выйти на американский рынок со своим RB-211 авиационным двигателем с лопатками компрессора из углеродного волокна. К сожалению, лезвия оказались уязвимыми для повреждений от удара птицы . 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 образовалась компания Bristol Composite Materials Engineering Ltd. [10] (часто называемые Бристольскими композитами).
В конце 1960-х годов японцы стали лидерами в производстве углеродных волокон на основе ПАН. Соглашение о совместной технологии 1970 года позволило Union Carbide производить японскую продукцию Toray Industries . Morganite решила, что производство углеродного волокна является второстепенным по отношению к ее основному бизнесу, оставив Courtaulds единственным крупным производителем в Великобритании. Неорганический процесс Courtaulds на водной основе сделал продукт восприимчивым к примесям, которые не влияли на органический процесс, используемый другими производителями углеродного волокна, что привело к тому, что Courtaulds прекратила производство углеродного волокна в 1991 году.
В 1960-е годы экспериментальная работа по поиску альтернативного сырья привела к появлению углеродных волокон, изготовленных из нефтяного пека, полученного в результате переработки нефти. Эти волокна содержали около 85% углерода и имели превосходную прочность на изгиб. Кроме того, в этот период правительство Японии активно поддерживало разработку углеродного волокна внутри страны, и несколько японских компаний, таких как Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon и Mitsubishi, начали собственные разработки и производство. С конца 1970-х годов на мировой рынок вышли новые типы пряжи из углеродного волокна, предлагающие более высокую прочность на разрыв и более высокий модуль упругости. Например, Т400 от Toray с пределом прочности 4000 МПа и М40, модулем упругости 400 ГПа. Были разработаны промежуточные углеродные волокна, такие как IM 600 из района Тохо, с давлением до 6000 МПа. Углеродные волокна от Toray, Celanese и Akzo нашли свое применение в аэрокосмической отрасли от второстепенных до первичных деталей сначала в военных, а затем в гражданских самолетах, таких как McDonnell Douglas, Boeing, Airbus и Самолеты Объединенной авиастроительной корпорации . В 1988 году доктор Джейкоб Лахиджани изобрел сбалансированное углеродное волокно со сверхвысоким модулем Юнга (более 100 МПа) и высокопрочным на разрыв углеродным волокном (более 500 КПа), широко используемое в автомобильной и аэрокосмической промышленности. В марте 2006 года патент был передан Исследовательскому фонду Университета Теннесси . [11]
Структура и свойства
[ редактировать ]
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 (ПВА). Жгут можно удобно разматывать с катушки для использования. Каждая углеродная нить в жгуте представляет собой сплошной цилиндр диаметром 5–10 микрометров и состоит почти исключительно из углерода . Самое раннее поколение (например, T300, HTA и AS4) имело диаметр 16–22 микрометра . [12] Более поздние волокна (например, IM6 или IM600) имеют диаметр примерно 5 микрометров. [12]
Атомная структура углеродного волокна аналогична структуре графита углерода, , состоящего из листов атомов расположенных в правильном шестиугольном порядке ( листы графена ), разница заключается в способе соединения этих листов. Графит представляет собой кристаллический материал, в котором листы уложены регулярно параллельно друг другу. Межмолекулярные силы между листами представляют собой относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса , придающие графиту его мягкие и хрупкие характеристики.
В зависимости от предшественника волокна, углеродное волокно может быть турбостратным или графитовым или иметь гибридную структуру, в которой присутствуют как графитовая, так и турбостратная части. В турбостратном углеродном волокне листы атомов углерода беспорядочно сложены или смяты вместе. Углеродные волокна, полученные из полиакрилонитрила (ПАН), являются турбостратными, тогда как углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, графитируются после термообработки при температурах, превышающих 2200 °С. Турбостратные углеродные волокна имеют тенденцию иметь высокий предел прочности на разрыв , тогда как термообработанные углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, имеют высокий модуль Юнга (т.е. высокую жесткость или сопротивление растяжению под нагрузкой) и высокую теплопроводность .
Приложения
[ редактировать ]
Углеродное волокно может иметь более высокую стоимость, чем другие материалы, что является одним из ограничивающих факторов его 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 издержкам снизилась по сравнению с оценками, которые в начале 2000-х годов были в 35 раз дороже, чем сталь. [13]
Композитные материалы
[ редактировать ]Углеродное волокно чаще всего используется для армирования композитных материалов , особенно класса материалов, известных как полимеры, армированные углеродным волокном или графитом . В качестве матрицы для углеродных волокон также можно использовать неполимерные материалы. Из-за образования карбидов металлов и проблем, связанных с коррозией , углерод имеет ограниченный успех в применении композитов с металлической матрицей . Армированный углерод-углерод (RCC) состоит из графита, армированного углеродным волокном, и используется в конструкции при высоких температурах. Волокно также находит применение при фильтрации высокотемпературных газов, в качестве электрода с большой площадью поверхности и безупречной коррозионной стойкостью, а также в качестве антистатического компонента . Формование тонкого слоя углеродных волокон значительно повышает огнестойкость полимеров или термореактивных композитов, поскольку плотный, компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло. [14]
Растущее использование композитов из углеродного волокна вытесняет алюминий из аэрокосмической отрасли в пользу других металлов из-за проблем с гальванической коррозией . [15] [16] Однако обратите внимание, что углеродное волокно не устраняет риск гальванической коррозии. [17] При контакте с металлом он образует «идеальный элемент гальванической коррозии… и металл будет подвергаться гальванической коррозии», если между металлом и углеродным волокном не будет нанесен герметик. [18]
Углеродное волокно можно использовать в качестве добавки к асфальту для изготовления электропроводящего асфальтобетона. [19] Использование этого композитного материала в транспортной инфраструктуре, особенно для покрытия аэропортов, снижает некоторые проблемы с зимним обслуживанием, которые приводят к отмене или задержке рейсов из-за наличия льда и снега. Прохождение тока через трехмерную сеть углеродных волокон композитного материала рассеивает тепловую энергию, что повышает температуру поверхности асфальта, способного растопить лед и снег над ним. [20]
Текстиль
[ редактировать ]
Прекурсорами углеродных волокон являются полиакрилонитрил (ПАН), вискоза и пек . Нити из углеродного волокна используются в нескольких технологиях обработки: непосредственное применение - для предварительного препрега, намотки, пултрузии, ткачества, плетения и т. д. Пряжа из углеродного волокна оценивается по линейной плотности (вес на единицу длины; т. е. 1 г/1000 г). m = 1 текс ) или по количеству нитей на единицу пряжи, в тысячах. Например, 200 текс для 3000 нитей углеродного волокна в три раза прочнее, чем пряжа из 1000 углеродных нитей, но также в три раза тяжелее. Эту нить затем можно использовать для плетения из углеродного волокна ткани или ткани . Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного переплетения. Некоторые часто используемые типы переплетения — саржевое , атласное и полотняное . Нити из углеродных нитей также можно вязать или плести .
Микроэлектроды
[ редактировать ]Углеродные волокна используются для изготовления углеродных микроэлектродов . В этом случае обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запаивается в стеклянный капилляр. [21] На кончике капилляр либо герметизируется эпоксидной смолой и полируется, чтобы получить дисковый микроэлектрод из углеродного волокна, либо волокно разрезается на длину 75–150 мкм, чтобы получить цилиндрический электрод из углеродного волокна. из углеродного волокна Микроэлектроды используются либо в амперометрии , либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимических сигналов.
Гибкое отопление
[ редактировать ]
Несмотря на то, что углеродные волокна известны своей электропроводностью, они сами по себе могут проводить лишь очень слабые токи. При вплетении в более крупные ткани их можно использовать для надежного (инфракрасного) обогрева в тех случаях, когда требуются гибкие электрические нагревательные элементы, и они могут легко выдерживать температуры выше 100 °C. Многие примеры такого типа применения можно увидеть в сделанных своими руками предметах одежды и одеялах с подогревом, . Благодаря своей химической инертности его можно относительно безопасно использовать с большинством тканей и материалов; однако замыкание, вызванное складыванием материала, приведет к повышенному выделению тепла и может привести к возгоранию.
Синтез
[ редактировать ]
- Полимеризация акрилонитрила в ПАН,
- Циклизация в ходе низкотемпературного процесса,
- Высокотемпературная окислительная обработка карбонизацией (удаление водорода). После этого начинается процесс графитизации , в ходе которого удаляется азот и цепи соединяются в графитовые плоскости.
Каждая углеродная нить изготавливается из полимера, такого как полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной пек . Все эти полимеры известны как предшественники . Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала скручивается в нити с использованием химических и механических процессов для первоначального выравнивания молекул полимера таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Составы предшественников и механические процессы, используемые при прядении комплексной пряжи, могут различаться у разных производителей. После вытяжки или прядения полимерные нити затем нагреваются для удаления неуглеродных атомов ( карбонизация ), в результате чего получается окончательное углеродное волокно. Нити из углеродных волокон можно дополнительно обработать для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотать на бобины . [22]
Обычный метод производства включает нагрев скрученных нитей ПАН на воздухе примерно до 300 ° C, что разрушает многие водородные связи и окисляет материал. Затем окисленный аргон ПАН помещают в печь с инертной атмосферой газа, такого как , и нагревают примерно до 2000 ° C, что вызывает графитизацию материала, изменяя структуру молекулярных связей. При нагревании в правильных условиях эти цепи соединяются друг с другом (лестничные полимеры), образуя узкие листы графена , которые в конечном итоге сливаются, образуя единую столбчатую нить. В результате обычно получается 93–95% углерода. Волокно более низкого качества может быть изготовлено с использованием пека или вискозы в качестве предшественника вместо ПАН. Углерод может быть дополнительно улучшен до высокомодульного или высокопрочного углерода в результате процессов термообработки. Углерод, нагретый в диапазоне 1500–2000 °C (карбонизация), демонстрирует самую высокую прочность на разрыв (5650 МПа , или 820 000 фунтов на квадратный дюйм ), тогда как углеродное волокно, нагретое от 2500 до 3000 °C (графитизация), демонстрирует более высокую прочность. модуль упругости (531 ГПа, или 77 000 000 фунтов на квадратный дюйм).
См. также
[ редактировать ]- Базальтовое волокно
- Полимер, армированный углеродным волокном
- Керамический материал, армированный углеродным волокном.
- Углеродные нанотрубки
- ЭСР материалы
- Графен
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чаудхари, Аниша; Гупта, Винай; Теотия, Сатиш; Ниманпуре, Субхаш; Раджак, Дипен К. (01.01.2021), «Способность к электромагнитному экранированию композитов с металлической матрицей» , в Брабазоне, Дермот (редактор), Энциклопедия материалов: композиты , Оксфорд: Elsevier, стр. 428–441, ISBN 978-0-12-819731-8 , получено 14 февраля 2022 г.
- ^ Бхатт, Пуджа (2017). Углеродные волокна: производство, свойства и потенциальное использование (Диссертация). Архивировано из оригинала 30 апреля 2021 г. Проверено 25 июля 2021 г.
- ^ «Что такое пластина из углеродного волокна в обуви? Давайте все проясним!» . Clarco.com. 19 ноября 2022 г. Проверено 19 ноября 2022 г.
- ^ Хасиотис, Феодор; Бадояннис, Эфстратиос; Цувалис, Николаос Георгиос (2011). «Применение методов ультразвукового C-сканирования для отслеживания дефектов в слоистых композиционных материалах» . Стройнишки вестник – Журнал машиностроения . 57 (3): 192–203. дои : 10.5545/sv-jme.2010.170 . ISSN 2536-3948 . Проверено 21 февраля 2023 г.
- ^ Дэн, Юлян (2007). Электронные межсоединения из углеродного волокна (PDF) (Диссертация). Архивировано (PDF) из оригинала 4 апреля 2019 г. Проверено 2 марта 2017 г.
- ^ «Высокоэффективные углеродные волокна» . Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество. 2003. Архивировано из оригинала 27 апреля 2014 г. Проверено 26 апреля 2014 г.
- ^ «Одаренные люди, работавшие на Эдисона» . Служба национальных парков. Архивировано из оригинала 7 февраля 2015 г. Проверено 1 декабря 2014 г.
- ^ США 2957756 , Бэкон, Роджер, «Нитечатый графит и способ его производства», выдан 25 октября 1960 г.
- ^ «Точки позиции» . Международный рейс : 481. 26 сентября 1968 г. Архивировано из оригинала 14 августа 2014 г. Получено 14 августа 2014 г. - из глобального архива Flight.
- ^ «Роллс-Ройс – Путеводитель по Грейс» . www.gracesguide.co.uk . Проверено 22 сентября 2020 г.
- ^ США 4915926 , Лахиджани, Джейкоб, «Сбалансированные углеродные волокна со сверхвысоким модулем и высокой прочностью на разрыв», опубликовано 10 апреля 1990 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кантвелл, У.Дж.; Мортон, Дж. (1991). «Ударопрочность композиционных материалов – обзор». Композиты . 22 (5): 347–362. дои : 10.1016/0010-4361(91)90549-В .
- ^ Брегар, Билл (5 августа 2014 г.). «Цена удерживает углеродное волокно от массового внедрения - Новости пластмасс» . Новости пластмасс . Атланта: Crain Communications, Inc. Архивировано из оригинала 9 декабря 2016 г. Проверено 25 мая 2017 г.
- ^ Чжао, З.; Гоу, Дж. (2009). «Повышение огнестойкости термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 10 (1): 015005. Бибкод : 2009STAdM..10a5005Z . дои : 10.1088/1468-6996/10/1/015005 . ПМК 5109595 . ПМИД 27877268 .
- ^ Банис, Дэвид; Марсо, Дж. Артур; Мохагех, Майкл (июль 1999 г.). «Проектирование коррозии» . Аэро . №7. Боинг. Архивировано из оригинала 2 сентября 2013 г. Проверено 7 мая 2018 г.
- ^ Уорик, Грэм; Норрис, Гай (6 мая 2013 г.). «Металлы возвращаются с развитием производства» . Неделя авиации и космических технологий . Архивировано из оригинала 27 апреля 2015 г.
- ^ Банис, Дэвид; Марсо, Дж. Артур; Мохагех, Майкл (июль 1999 г.). «Проектирование коррозии» . Аэро . №7. Боинг. Архивировано из оригинала 2 сентября 2013 г. Проверено 7 мая 2018 г.
- ^ Сун, Гуан-Лин; Чи, Чжан; Сяодун, Чен (март 2021 г.). «Гальваническая активность полимеров, армированных углеродным волокном, и электрохимическое поведение углеродного волокна» . Коррозионные коммуникации . Том. 1, нет. 1. Эльзевир Б.В., стр. 26–39. дои : 10.1016/j.corcom.2021.05.003 . Проверено 22 января 2023 г.
- ^ Нотани, Мохаммед Али; Арабзаде, Али; Джейлан, Халил; Ким, Сонхван (июнь 2019 г.). «Влияние свойств углеродного волокна на объем и омический нагрев электропроводящего асфальтобетона». Журнал материалов в гражданском строительстве . 31 (9). США: 04019200. doi : 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002868 . S2CID 198395022 .
- ^ Арабзаде, Али; Нотани, Мохаммед Али; Заде, Аюб Каземиан; Нахви, Али; Сассани, Алиреза; Джейлан, Халил (15 сентября 2019 г.). «Электропроводящий асфальтобетон: альтернатива автоматизации работ по зимнему содержанию транспортной инфраструктуры» . Композиты. Часть B: Инженерия . 173 . США: 106985. doi : 10.1016/j.compositesb.2019.106985 . S2CID 189994116 .
- ^ Пайк, Кэролайн М.; Грабнер, Чад П.; Харкинс, Эми Б. (4 мая 2009 г.). «Изготовление амперометрических электродов» . Журнал визуализированных экспериментов (27): 1040. doi : 10.3791/1040 . ПМК 2762914 . ПМИД 19415069 .
- ^ «Как производится углеродное волокно?» . Золтек. 10 августа 2017 г. Архивировано из оригинала 19 марта 2015 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Изготовление углеродного волокна
- Как производится углеродное волокно
- «Углеродные волокна – первые 5 голых лет» . Рейс Интернешнл . 9 сентября 1971 г. п. 406. Архивировано из оригинала 4 февраля 2012 г.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
