Развитие пластмасс, армированных углеродным волокном

Углеродные волокна в пластиковых материалах

Использование углеродных волокон в пластических материалах имеет долгую историю. Еще в 1879 году Томас Эдисон экспериментировал с углеродными волокнами, сделанными из хлопковых нитей и бамбуковых лент. Фактически, первая лампа накаливания, нагретая электричеством, содержала углеродные волокна.

В 1960-х годах доктор Акио Шиндо из Агентства промышленных наук и технологий Японии разработал углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (PAN). Полученное волокно содержало 55% углерода.

Процесс преобразования на основе PAN быстро стал основным методом производства углеродного волокна. Сегодня 90 процентов углеродных волокон изготовлено из полиакрилонитрила (C ₃ H ₃ N) _n или PAN - синтетическая полукристаллическая органическая полимерная смола. Остальные 10% сделаны из искусственного шелка или нефтяного пека. Волокна из PAN очень прочные и легкие. Эти волокна связаны термореактивными или термопластичными полимерами, такими как полиэфир, сложный виниловый эфир или нейлон, для изготовления пластика, армированного углеродным волокном, или углеродного FRP.

Добавление углеродного волокна в полимер имеет много преимуществ

Прочность на разрыв и модуль упругости при изгибе увеличиваются, как и температура теплового прогиба или HDT. Кроме того, добавление армирования углеродным волокном уменьшает усадку и коробление.

Каждое углеродное волокно представляет собой длинную тонкую нить, состоящую из тысяч углеродных нитей. Одно волокно имеет диаметр около 5-10 мкм и состоит в основном из углерода. Микроскопические кристаллы в углероде связываются вместе в структуре, которая более или менее выровнена параллельно длинной оси волокна. Именно это расположение кристаллов делает волокна такими прочными.

Классифицируется по модулю растяжения

Углеродные волокна классифицируются по модулю упругости при растяжении * . волокна. Модуль упругости при растяжении может находиться в диапазоне от 34,8 миллионов фунтов на квадратный дюйм до 72,5-145,0 миллионов фунтов на квадратный дюйм. Сталь имеет модуль упругости 29 миллионов фунтов на квадратный дюйм, поэтому самое прочное углеродное волокно в пять раз прочнее стали.

Волокна с «низким» модулем упругости имеют модуль упругости ниже 34,8 миллионов фунтов на квадратный дюйм (240 миллионов кПа). Волокна также классифицируются в порядке возрастания модуля упругости при растяжении:«стандартный модуль», «промежуточный модуль», «высокий модуль» и «сверхвысокий модуль». Углеродные волокна с классом сверхвысокого модуля упругости имеют модуль упругости от 72,5 до 145,0 миллионов фунтов на квадратный дюйм (500-1,0 миллиарда кПа).

Прядение, стабилизация, карбонизация, обработка поверхности и калибровка

Процесс производства углеродного волокна частично химический, а частично механический.

• Вращение: PAN вращается с использованием одного из нескольких процессов прядения. Этот шаг важен, потому что он формирует внутреннюю атомную структуру волокна. Затем волокна промываются и растягиваются до необходимого диаметра. Растяжение также помогает выровнять молекулы, способствуя образованию кристаллов углерода, образовавшихся в результате карбонизации.
• Стабилизация: На этом этапе волокна обрабатываются химикатами, чтобы изменить их линейное соединение на термостойкую структуру лестничного соединения. Затем нити нагреваются на воздухе, так что они захватывают молекулы кислорода и меняют структуру их атомных связей.
• Обугливание: Затем волокна подвергаются очень сильному нагреву без присутствия кислорода, поэтому волокно не может гореть. Атомы в волокне сильно колеблются, вытесняя большинство неуглеродных атомов в предшественнике.
• Обработка поверхности: После карбонизации поверхность волокон плохо сцепляется с материалами, используемыми для изготовления композиционных материалов. На этом этапе поверхность волокон слегка окисляется путем погружения в различные газы или жидкости.
• Размер: В этом процессе волокна покрываются покрытием, чтобы защитить их от повреждений при намотке или ткачестве.

Некоторые изделия из углеродного волокна - это удочки, велосипеды, снаряжение для гольфа, теннисные ракетки, детали для самолетов, мостов и автомобилей.

* Модуль упругости - это сила натяжения, которую волокно определенного диаметра может приложить без разрушения. Модуль упругости выражается в фунтах на квадратный дюйм или фунтах на квадратный дюйм.

Вопросы? Дайте мне знать в разделе комментариев ниже.

Ищете дополнительную информацию о пластмассах? Загрузите наше бесплатное руководство!