21 ғасырда жаңа материалдардың патшасы ретінде белгілі көміртекті талшық материалдардағы жарқын інжу болып табылады.Көміртекті талшық (КФ) – құрамында 90%-дан астам көміртегі бар бейорганикалық талшық түрі.Органикалық талшықтар (вискоза негізіндегі, шайыр негізіндегі, полиакрилонитрил негізіндегі талшықтар және т.б.) көміртекті магистральді қалыптастыру үшін жоғары температурада пиролизденеді және көміртектеледі.
Арматураланған талшықтың жаңа буыны ретінде көміртекті талшық тамаша механикалық және химиялық қасиеттерге ие.Ол тек көміртекті материалдарға тән қасиеттерге ие емес, сонымен қатар тоқыма талшығының жұмсақтығы мен өңделуіне ие.Сондықтан ол аэроғарыш, энергетикалық жабдықтар, көлік, спорт және демалыс салаларында кеңінен қолданылады.
Жеңіл салмақ: тамаша өнімділігі бар стратегиялық жаңа материал ретінде көміртекті талшықтың тығыздығы магний мен бериллийдің тығыздығымен бірдей, болаттың 1/4 бөлігінен аз.Құрылымдық материал ретінде көміртекті талшықты композитті пайдалану құрылымдық салмақты 30% - 40% азайтуы мүмкін.
Жоғары беріктік және жоғары модуль: көміртекті талшықтың меншікті беріктігі болаттан 5 есе және алюминий қорытпасынан 4 есе жоғары;Меншікті модуль басқа құрылымдық материалдардан 1,3-12,3 есе.
Шағын кеңею коэффициенті: көміртекті талшықтардың көпшілігінің термиялық кеңею коэффициенті бөлме температурасында теріс, 200-400 ℃ 0, ал 1000 ℃ × 10-6 / К-ден аз болғанда 1,5, жоғары жұмыс істеуге байланысты кеңейту және деформациялау оңай емес. температура.
Жақсы химиялық коррозияға төзімділік: көміртекті талшықта жоғары таза көміртегі бар, ал көміртегі ең тұрақты химиялық элементтердің бірі болып табылады, нәтижесінде оның қышқылдық және сілтілі ортада өте тұрақты өнімділігі бар, оны коррозияға қарсы химиялық өнімдердің барлық түрлерін жасауға болады.
Күшті шаршауға төзімділік: көміртекті талшықтың құрылымы тұрақты.Полимер желісінің статистикасына сәйкес, миллиондаған циклдар кернеулі шаршау сынағынан кейін композиттің беріктігі әлі де 60%, ал болат 40%, алюминий 30%, шыны талшықты арматураланған пластик 20% құрайды. % – 25%.
Көміртекті талшықты композит - көміртекті талшықты қайта нығайту.Көміртекті талшықты жалғыз қолдануға және белгілі бір функцияны орындауға болатынына қарамастан, ол сынғыш материал болып табылады.Көміртекті талшықты композитті қалыптастыру үшін матрицалық материалмен біріктірілгенде ғана ол оның механикалық қасиеттерін жақсырақ ойнатады және көбірек жүктерді көтереді.
Көміртекті талшықтарды прекурсор түрі, өндіру әдісі және өнімділігі сияқты әртүрлі өлшемдер бойынша жіктеуге болады
Прекурсордың түрі бойынша: полиакрилонитрил (Пан) негізіндегі, қадамдық (изотропты, мезофазалық);Вискоза негізі (целлюлоза негізі, аудандық негіз).Олардың ішінде полиакрилонитрил (Pan) негізіндегі көміртекті талшық негізгі позицияны алады және оның шығуы жалпы көміртекті талшықтың 90% -дан астамын құрайды, ал вискоза негізіндегі көміртекті талшық 1% -дан азды құрайды.
Өндіріс шарттары мен әдістеріне сәйкес: көміртекті талшық (800-1600 ℃), графит талшығы (2000-3000 ℃), белсендірілген көміртекті талшық, бумен өсірілген көміртекті талшық.
Механикалық қасиеттері бойынша оны жалпы типті және жоғары өнімді типке бөлуге болады: жалпы типтегі көміртекті талшықтың беріктігі шамамен 1000МПа, ал модулі шамамен 100ГПа;Жоғары өнімділік түрін жоғары беріктік түріне (күш 2000 мПа, модуль 250 гпа) және жоғары модельге (модуль 300 гпа немесе одан да көп) бөлуге болады, олардың арасында 4000 мпа-дан жоғары беріктік ультра жоғары беріктік түрі деп те аталады, ал модуль 450 гпа-дан жоғары. ультра жоғары модель деп аталады.
Сүйреткіштің өлшемі бойынша оны шағын сүйреткіш және үлкен сүйреткіш деп бөлуге болады: шағын сүйреткіш көміртекті талшықтар бастапқы кезеңде негізінен 1К, 3К және 6К болып табылады және біртіндеп 12К және 24К болып дамыды, ол негізінен аэроғарышта, спортта қолданылады. және демалыс алаңдары.48К жоғары көміртекті талшықтар әдетте өнеркәсіптік өрістерде қолданылатын 48K, 60K, 80K және т.б. қоса алғанда, ірі сүйреткіш көміртекті талшықтар деп аталады.
Созылу күші мен созылу модулі көміртекті талшықтың қасиеттерін бағалаудың екі негізгі көрсеткіші болып табылады.Осыған сүйене отырып, Қытай 2011 жылы PAN негізіндегі көміртекті талшыққа арналған ұлттық стандартты (GB / t26752-2011) жариялады. Сонымен қатар, Торайдың жаһандық көміртекті талшықтар өнеркәсібіндегі абсолютті жетекші артықшылығына байланысты отандық өндірушілердің көпшілігі де Торай классификациясының стандартын қабылдайды. анықтама ретінде.
1.2 жоғары кедергілер жоғары қосымша құн әкеледі.Процесті жақсарту және жаппай өндірісті жүзеге асыру шығындарды айтарлықтай төмендетіп, тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді
1.2.1 Өнеркәсіптің техникалық кедергісі жоғары, прекурсорлар өндірісі негізгі болып табылады, ал карбонизация және тотығу негізгі болып табылады.
Көміртекті талшықты өндіру процесі күрделі, ол жоғары техника мен технологияны қажет етеді.Әрбір буынның дәлдігін, температурасын және уақытын бақылау соңғы өнімнің сапасына үлкен әсер етеді.Полиакрилонитрилді көміртекті талшық қазіргі уақытта салыстырмалы түрде қарапайым дайындау процесіне, өндірістің төмен құнына және үш қалдықтарды ыңғайлы кәдеге жаратуына байланысты ең көп қолданылатын және ең көп шығарылатын көміртекті талшыққа айналды.Негізгі шикізат пропан шикі мұнайдан жасалуы мүмкін, ал PAN көміртекті талшықты өнеркәсіп тізбегі бастапқы энергиядан терминалды қолдануға дейінгі толық өндірістік процесті қамтиды.
Шикі мұнайдан пропан дайындалғаннан кейін пропанды іріктеп каталитикалық дегидрлеу (PDH) арқылы пропилен алынды;
Акрилонитрил пропиленді амоксидтеу арқылы алынды.Полиакрилонитрил (Pan) прекурсоры акрилонитрилді полимерлеу және айналдыру арқылы алынды;
Полиакрилонитрил алдын ала тотықтырылады, көміртекті талшықты алу үшін төмен және жоғары температурада көміртектеледі, оны көміртекті талшықты матаға және көміртекті талшық композиттерін өндіру үшін көміртекті талшық препрегіне жасауға болады;
Көміртекті талшық шайырмен, керамикамен және басқа материалдармен біріктіріліп, көміртекті талшық композиттерін құрайды.Ақырында, төменгі ағынды қолдану үшін соңғы өнімдер әртүрлі қалыптау процестерімен алынады;
Прекурсордың сапасы мен өнімділігі көміртекті талшықтың соңғы өнімділігін тікелей анықтайды.Сондықтан иіру ерітіндісінің сапасын арттыру және прекурсорларды қалыптастыру факторларын оңтайландыру жоғары сапалы көміртекті талшықты дайындаудың негізгі сәтіне айналады.
«Полиакрилонитрил негізіндегі көміртекті талшықты прекурсорларды өндіру процесін зерттеу» деректері бойынша иіру процесі негізінен үш санатты қамтиды: ылғалды иіру, құрғақ иіру және құрғақ ылғалды иіру.Қазіргі уақытта дымқыл иіру және құрғақ ылғалды иіру негізінен үйде және шетелде полиакрилонитрил прекурсорын өндіру үшін қолданылады, олардың ішінде ылғалды иіру ең көп қолданылады.
Ылғалды иіру алдымен иіру ерітіндісін иіру тесігінен шығарады, ал иіру ерітіндісі ұсақ ағын түрінде коагуляциялық ваннаға түседі.Полиакрилонитрилді иіру ерітіндісінің иіру механизмі иіру ерітіндісі мен коагуляциялық ваннадағы DMSO концентрациясы арасында үлкен алшақтық бар, сонымен қатар коагуляциялық ванна мен полиакрилонитрил ерітіндісіндегі су концентрациясы арасында үлкен алшақтық бар.Жоғарыда аталған екі концентрация айырмашылығының өзара әрекеттесуі кезінде сұйықтық екі бағытта диффузиялана бастайды және ақырында масса алмасу, жылу алмасу, фазалық тепе-теңдік қозғалысы және басқа процестер арқылы жіптерге конденсацияланады.
Прекурсор өндірісінде DMSO қалдық мөлшері, талшық өлшемі, моножіптің беріктігі, модулі, ұзаруы, май мөлшері және қайнаған судың шөгуі прекурсордың сапасына әсер ететін негізгі факторларға айналады.Мысал ретінде DMSO қалдық мөлшерін алатын болсақ, ол прекурсордың көрінетін қасиеттеріне, көлденең қимасының күйіне және соңғы көміртекті талшық өнімінің CV мәніне әсер етеді.DMSO қалдық мөлшері неғұрлым төмен болса, өнімнің өнімділігі соғұрлым жоғары болады.Өндірісте DMSO негізінен жуу арқылы жойылады, сондықтан жуу температурасын, уақытын, тұзсыздандырылған судың мөлшерін және жуу циклінің мөлшерін бақылау маңызды буынға айналады.
Жоғары сапалы полиакрилонитрил прекурсоры келесі сипаттамаларға ие болуы керек: жоғары тығыздық, жоғары кристалдылық, сәйкес беріктік, дөңгелек қима, аз физикалық ақаулар, тегіс беті және біркелкі және тығыз тері өзегі құрылымы.
Карбонизация мен тотығудың температуралық бақылауы маңызды болып табылады.Көміртендіру және тотығу прекурсордан көміртекті талшықты соңғы өнімдерді өндірудегі маңызды қадам болып табылады.Бұл қадамда температураның дәлдігі мен диапазоны дәл бақылануы керек, әйтпесе көміртекті талшық өнімдерінің созылу беріктігі айтарлықтай әсер етеді, тіпті сымның үзілуіне әкеледі.
Алдын ала тотығу (200-300 ℃): алдын ала тотығу процесінде PAN прекурсоры тотықтырғыш атмосферада белгілі бір кернеуді қолдану арқылы баяу және жұмсақ тотығады, табаның түзу тізбегі негізінде көптеген сақиналы құрылымдарды құрайды, осылайша жоғары температуралық өңдеуге төтеп беру мақсатына жету.
Карбонизация (ең жоғары температура 1000 ℃ төмен емес): карбонизация процесі инертті атмосферада жүргізілуі керек.Карбонизацияның бастапқы кезеңінде таба тізбегі үзіліп, айқаспалы байланыс реакциясы басталады;Температураның жоғарылауымен термиялық ыдырау реакциясы көп мөлшерде шағын молекулалы газдарды бөле бастайды және графит құрылымы қалыптаса бастайды;Температура одан әрі көтерілген кезде көміртегі мөлшері тез артып, көміртекті талшық пайда бола бастады.
Графитизация (өңдеу температурасы 2000 ℃ жоғары): графиттеу көміртекті талшықты өндіру үшін қажетті процесс емес, қосымша процесс.Көміртекті талшықтың жоғары серпімділік модулі күтілсе, графитизация қажет;Егер көміртекті талшықтың жоғары беріктігі күтілсе, графитизация қажет емес.Графиттеу процесінде жоғары температура талшықты дамыған графит тор құрылымын құрайды, ал құрылым соңғы өнімді алу үшін сызу арқылы біріктіріледі.
Жоғары техникалық кедергілер ағынды өнімдерге жоғары қосылған құн береді, ал авиациялық композиттердің бағасы шикі жібекке қарағанда 200 есе жоғары.Көміртекті талшықты дайындаудың және күрделі процестің жоғары қиындығына байланысты, өнімдер неғұрлым төмен ағында болса, соғұрлым қосымша құн жоғары болады.Әсіресе аэроғарыш саласында қолданылатын жоғары сапалы көміртекті талшықты композиттер үшін, төменгі тұтынушылардың оның сенімділігі мен тұрақтылығына өте қатаң талаптары болғандықтан, өнімнің бағасы қарапайым көміртекті талшықпен салыстырғанда геометриялық еселенген өсуді көрсетеді.
Жіберу уақыты: 22 шілде 2021 ж