Углеродное волокно в пластмассах: эволюция, преимущества и производство

Углеродные волокна в пластиковых материалах

Углеродные волокна неотъемлемы для передовых композитов уже более столетия. В 1879 году Томас Эдисон экспериментировал с хлопковыми волокнами, которые позже запитали первые лампы накаливания, отмечая самое раннее практическое использование углерода.

К 1960-м годам д-р Акио Синдо в Японском агентстве промышленной науки и технологии новаторски применил полиакрилонитрил (ПАН) — углеродное волокно, содержавшее 55 % элементарного углерода. Путь ПАН быстро доминировал в отрасли, поставляя примерно 90 % современных углеродных волокон, оставшиеся 10 % происходят из вискозы или нефтяного питча. ПАН-волокна ценятся за исключительное отношение прочности к весу, позволяя создавать высокопроизводительные композиты при комбинировании с термореактивными или термопластичными матрицами вроде полиэстера, винилового эфира или нейлона для получения углеродно-волокнисто-усиленных пластмасс (C-FRP).

Добавление углеродного волокна в полимер даёт множество преимуществ

Интеграция углеродных волокон повышает прочность на растяжение, модуль изгиба и температуру деформации под нагрузкой (HDT). Также снижается усадка и искривление, производя более размерно-стабильные компоненты.

Каждое волокно — тонкая нить — 5–10 мкм в диаметре — состоит из тысяч углеродных филаментов. Микроскопические графеноподобные кристаллы ориентированы параллельно оси волокна, давая углероду его замечательную жёсткость и прочность.

Классификация по модулю растяжения

Углеродные волокна классифицируются по модулю растяжения, варьирующему от 34,8 МПа до 145 МПа (примерно 34,8–145 млн psi). Для сравнения, модуль стали около 29 МПа. Ультра-высокомодульные волокна (72,5–145 МПа) в пять раз прочнее стали.

Типичные классы — по возрастанию модуля растяжения: низкий модуль (< 34,8 МПа), стандартный, промежуточный, высокий и ультра-высокий. Каждый класс предлагает адаптированный баланс прочности, жёсткости и стоимости для конкретных инженерных нужд.

Пряжение, стабилизация, карбонизация, поверхностная обработка и сайзинг

Производство углеродного волокна сочетает химию с механической точностью. Ниже краткий обзор каждой стадии:

• Пряжение: ПАН-предшественник экструдируется в филаменты, затем вымывается и вытягивается для уточнения внутренней структуры и продвижения молекулярного выравнивания.
• Стабилизация: Химическое превращение линейных цепей в термически устойчивую лестничную структуру, за которой следует воздушно-окислительное окисление для подготовки волокон к высокотемпературной обработке.
• Карбонизация: Волокна проходят термическую обработку в инертной атмосфере, удаляя не-углеродные атомы и формируя кристаллический углерод.
• Поверхностная обработка: После карбонизации волокна мягко окисляют или воздействуют газами/жидкостями для улучшения адгезии с полимерными матрицами.
• Сайзинг: Наносится защитное покрытие для защиты волокон при намотке или плетении и улучшения управляемости.

Применения охватывают спортивные товары — удочки, велосипеды, гольф-клюшки, теннисные ракеты — до критических инфраструктурных компонентов в авиакосмике, автопроме и мостостроении.

* Модуль растяжения измеряет силу, которую волокно может выдержать на единицу площади (psi) до разрушения.

Вопросы? Дайте знать в разделе комментариев ниже.

Ищете больше информации о пластмассах? Скачайте наш бесплатный справочник!