Углеродное волокно: Состав, производство и будущие применения

Исторический контекст

Углеродное волокно — тонкая вытянутая нить, обычно диаметром 0,0002–0,0004 дюйма (0,005–0,010 мм), состоящая почти полностью из атомов углерода, расположенных в микрокристаллах, выровненных вдоль оси волокна. Это выравнивание даёт исключительную прочность на разрыв относительно размера. Тысячи волокон скручивают в пряжу, которую можно ткать в ткани или комбинировать с эпоксидной смолой для создания высокопрочных композитов в авиакосмической, автомобильной, спортивной и морской отраслях.

Первые углеродные волокна появились в 1950-х как высокотемпературное армирование для ракетных компонентов. Ранние попытки с нагретым вискозой дали волокна с лишь ~20% углерода и ограниченной прочностью. К 1960-м процесс с предшественником полиакрилонитрила (ПАН) дал волокна с ~55% углерода и превосходными механическими свойствами, став индустриальным стандартом.

В 1970-х развили волокна на базе нефтяного питча, достигающие ~85% углерода и отличной изгибной прочности, хотя их более низкая сжимательная характеристика ограничила массовое внедрение.

Сегодня углеродное волокно интегрировано во множество продуктов, с непрерывными инновациями, расширяющими применение. Производство сосредоточено в США, Японии и Западной Европе.

Классификация углеродных волокон

Углеродные волокна классифицируют по модулю упругости на растяжение — мере сопротивления растяжению. Английская единица: фунты на квадратный дюйм (psi). Низкомодульные волокна имеют модуль ниже 34,8 Mpsi (240 МПа). Высшие категории — стандартный, промежуточный, высокий и ультравысокий модуль — достигают 72,5–145,0 Mpsi (500–1000 МПа). Для контекста: сталь обычно имеет модуль ~29 Mpsi (200 МПа), так что самые прочные углеродные волокна могут быть в пять раз жёстче стали.

Ультравысокомодульные волокна из нефтяного питча иногда называют графитовыми волокнами из-за кристаллической структуры, близкой к чистому графиту.

Во время производства полимерные нити нагревают до очень высоких температур в безкислородной среде. Отсутствие кислорода предотвращает горение; вместо этого не-углеродные атомы удаляются в виде газов, оставляя за собой плотно связанную углеродную решётку.

Сырьё

Предшественник — обычно полиакрилонитрил — составляет ~90% коммерческого производства углеродного волокна, оставшиеся 10% — из вискозы или нефтяного питча. Эти органические полимеры состоят из длинных углеродсодержащих цепей, и точная формула каждого производителя является ноу-хау.

Различные газы и жидкости вводят в процессе для контроля реакций, температуры и поверхностных свойств. Их конкретные составы также обычно являются коммерческими тайнами.

Производственный процесс

Производство углеродного волокна сочетает химические и механические стадии. Предшественник вытягивают в нити, нагревают до высоких температур без контакта с кислородом, затем проводят через серию контролируемых преобразований для получения финального волокна.

Прядение

• 1. Порошок акрилонитрила смешивают с со-полимером вроде метилакрилата и полимеризуют катализатором для получения ПАН.
• 2. Полимер экструдируют в волокна методом струйного или расплавного прядения, где он коагулирует или испаряет растворители для затвердевания. Эта стадия определяет внутреннюю микроструктуру.
• 3. Волокна моют и вытягивают для достижения целевого диаметра и выравнивания молекулярных цепей.

Стабилизация

• 4. Волокна термически обрабатывают в воздухе при 390–590 °F (200–300 °C) 30–120 минут. Процесс превращает линейные связи в термически стабильную лестничатую структуру, встраивая кислород в решётку и выделяя тепло, которое необходимо тщательно управлять.

Углеродизация

• 5. Стабилизированные волокна нагревают до 1830–5500 °F (1000–3000 °C) в инертной атмосфере. Кислород исключают 가압овкой печи и герметизацией входов/выходов. При нагреве не-углеродные атомы эволюционируют как газы (водяной пар, аммиак, CO, CO₂, H₂, N₂ и др.), оставляя высокоупорядоченный углеродный кристалл.

Обработка поверхности

• 6. После углеризации поверхность волокна слабо оксидируют для улучшения адгезии с смолами. Оксидация достигается воздействием газов (воздух, CO₂, озон) или жидкостей (NaOCl, HNO₃). Электролитическое покрытие — ещё вариант. Процесс строго контролируется для избежания поверхностных дефектов, снижающих прочность.

Сайзинг (облучение)

• 7. Волокна покрывают (сайзинг) для защиты при намотке или плетении и улучшения совместимости с композитными матрицами. Обычные сайзинг-агенты: эпоксидная, полиэстерная, нейлоновая и уретановая смолы.
• 8. Осайзенные волокна навивают на бобинки, затем скручивают в пряжу различных диаметров.

Контроль качества

Визуальный осмотр нереален из-за микроскопических размеров волокна. Качество опирается на точный контроль свойств предшественника и производственных параметров — времени, температуры, газового потока и химии — на протяжении всего процесса. Готовые волокна и композиты проходят строгое тестирование на плотность, прочность, содержание сайзинга и другие критические метрики по стандартам Ассоциации поставщиков передовых композитных материалов 1990 года.

Здоровье и безопасность

Ключевые проблемы при производстве и обращении: вдыхание пыли, раздражение кожи и электрические помехи.

Пыль углеродного волокна обычно слишком велика для проникновения в ткань лёгких, в отличие от асбеста. Тем не менее, она может раздражать дыхательные пути, поэтому рабочие должны носить соответствующую респираторную защиту.

Волокна могут раздражать кожу, особенно кисти рук и запястья. Рекомендуется защитная одежда или барьерные кремы, и осторожность с сайзинг-химикатами, способными вызывать аллергические реакции.

Так как углеродные волокна проводят электричество, пыль может создавать дуговой разряд или короткое замыкание в ближайшем оборудовании. В таких средах чувствительные устройства должны изолироваться или экранироваться.

Будущее

Углеродные нанотрубки — полые трубки диаметром до 0,00004 дюйма (0,001 мм) — представляют передовую границу технологии углеродного волокна. Их необычайная механическая прочность и электрическая проводимость открывают возможности для волокон следующего поколения, микротрубок и полупроводниковых компонентов.