Karbon fiber nasıl yapılır?

Benzer olmayan malzemelerin (fiber ve reçine) birleşmesinden oluşan karbon fiber, bu malzemelerin çeşitliliği ve dolayısıyla özelleştirilebilirliği, çekiciliğinin temelini oluşturur. Metal yerine kullanılan karbon fiber kompozitler, çeliğin on katı mukavemet sağlar. Karbon fiber üreticileri, benzer ancak aynı olmayan ürünler üretir. Karbon fiber, çekme modülü (veya gerinim altında deformasyon olarak tanımlanan sertlik) ve çekme, basınç ve yorulma dayanımı açısından farklılık gösterir.

PAN bazlı karbon fiber günümüzde düşük modül (otuz iki milyon lbf/in² veya Msi'den az), geleneksel modül (33 ila otuz altı Msi), orta modül (40 ila 50 Msi), yüksek modül (50 ila 70 Msi) ve ultra yüksek modül (70 ila 140 Msi) olarak elde edilebilmektedir.
En basit haliyle karbon fiber, organik öncül fiberin 1800°F (982,22 °C) üzerindeki sıcaklıklarda inert atmosferde kaydırılmasıyla üretilir. Ancak karbon fiber üretimi ileri bir girişim olabilir.

karbon fiber

Polimerizasyon ve Eğirme

Polimerizasyon

Süreç, elyafın moleküler omurgasını oluşturan öncül olarak adlandırılan kimyasal bir bileşik hammaddeyle başlar. Günümüzde üretilen karbon elyafının yaklaşık %100'ü kumaş veya zift bazlı öncüllerden üretilmekle birlikte, çoğu nitritten üretilen poliakrilonitrilden (PAN) ve nitrit de endüstriyel kimyasallar olan propan ve amonyaktan elde edilir.

Tipik olarak, öncül formülasyon, bir reaktörde plastikleştirilmiş bir akrilik ko-monomer ve asit, dioksit, vitriol yağı veya asit gibi bir katalizörle birleştirilen nitril bileşiğiyle başlar. Sürekli birleştirme, bileşenlerin birleşmesini, kıvam ve saflık sağlamasını ve nitritin moleküler yapısında serbest radikallerin oluşumunu başlatmasını sağlar. Bu değişiklik, akrilik lifler oluşturan uzun zincirli polimerler üreten bir kimyasal işlemle sonuçlanır. Sıcaklık, atmosfer, spesifik ko-monomerler ve katalizörler gibi kimyasal işlemin ayrıntıları tescillidir. Yıkama ve kurutma işleminden sonra, toz halindeki nitrit, dimetil sülfür (DMSO), dimetilasetamid (DMAC) veya dimetilformamid (DMF) gibi organik bir çözücüde veya atom numarası 30 klorür ve rodamin tuzları gibi sıvı bir çözücüde çözülür. Organik çözücüler, yöntemin termal aerofil stabilitesine zarar verebilecek ve bitmiş lifin ısıl performansını geciktirebilecek eser metal parçacıklarının kontaminasyonunu önlemeye yardımcı olur. Bu aşamada, toz ve çözücü süspansiyonu veya öncül "kaplama" şurup kıvamındadır. Çözücü seçimi ve kaplamanın yoğunluğunun (derinlemesine filtrasyon yoluyla) yönetilme derecesi, lif oluşumunun sonraki aşamalarının başarısı için hayati önem taşır.
Döndürme
PAN lifleri, ıslak eğirme adı verilen bir yöntemle üretilir. Kaplama, sıvı bir doğal işlem banyosuna daldırılır ve değerli malzemeden üretilen bir eğirme memesindeki bir delikten ekstrüde edilir. Geçiş, PAN lifinin gerekli filament sayısına (örneğin, 12.000 adet 12K karbon fiber deliği) göre ayarlanır. Nispeten kalın ve kırılgan olan bu ıslak eğirme lifi, fazla maddeyi uzaklaştırmak için bir silindirden çekilir, ardından kurutulur ve PAN bileşiğinin oryantasyonunu sürdürmek için gerilir. Burada, filamentlerin şekli ve iç kesiti, seçilen çözücü ve maddenin öncül liflere nüfuz etme derecesi, uygulanan gerilim miktarı ve filamentlerin toplam uzaması tarafından belirlenir. İkincisi, her üreticiye özeldir. Islak eğirmeye bir alternatif, lifler ve doğal işlem banyosu arasında dikey bir hava boşluğu kullanan kuru püskürtme/ıslak eğirme adı verilen bir karma yöntem olabilir. Bu, kompozit içindeki elyaf/matris reçine arayüzünü güçlendiren şık, küresel bir PAN elyafının elde edilmesini sağlar. PAN öncül elyaflarının oluşumundaki son adım, viskoz filamentlerin kümelenmesini önlemek için terbiye yağlarının kullanılmasıdır. Beyaz PAN elyafları daha sonra tekrar kurutulur ve bir makaraya sarılır.
karbon fiber oksidasyon fırını

Oksidasyon ve Karbonizasyon

Oksidasyon

Bu bobinler sepete yüklenir ve en uzun üretim, oksidasyon aşamasında, PAN lifleri bir dizi özel fırından geçirilir. Ana mutfak cihazına girmeden önce, PAN lifleri çözgü adı verilen bir iplik veya tabakaya dönüşür. Hazne sıcaklığı 392 °F (yaklaşık 200 °C) ile 572 °F (300 santigrat derece) arasında değişir.

Kaçak ısı kaybını (oksidasyon sırasında tahmini entalpi kaybı, 2.000 kJ / kilogram olarak hesaplanabilir, gerçek yangın riskini artırır) önlemek için, mutfak aleti üreticileri ısıyı dağıtmak ve sıcaklığı kontrol altına almak için bir dizi hava akış stili kullanır. Belirli bir öncü kimyasal tarafından yönlendirilen oksidasyon süresi tamamen farklıdır, ancak Littler, 24K çekişin, birden fazla oksidasyon fırınına sahip büyük bir hatta dakikada yaklaşık 13 metrede 43 fit oranında dönüştürüleceğini tahmin ediyor. Son olarak, değiştirilmiş (stabilize edilmiş) PAN lifleri, geri kalanı gaz, atom numarası 7 ve O'nun bir karışımı olan yaklaşık 500 ila 65 karbon molekülü içerir.
Karbonizasyon
Karbonizasyon, özel olarak tasarlanmış bir dizi fırında, inert (oksijensiz) bir atmosferde gerçekleşir ve işlem sıcaklığı adım adım artırılır. Su haznesinde ve her haznenin çıkışında, iyileştirme haznesi, mutfak cihazından geçen her O molekülünün liflerin bir kısmını uzaklaştırması nedeniyle O2 girişini engeller. Bu, böyle bir sıcaklıkta oluşan karbon kaybını önleyebilir. O2 yokluğunda, yalnızca karbon olmayan moleküller, bileşikler ve diğer uçucu organik bileşikler (40 ila 80 ppm'lik bir sıcaklık seviyesinde stabilize edilmiş) ve partiküller (kısmen biriken lif parçaları gibi) uzaklaştırılır ve çevre dostu bir fırında son işlem için mutfak cihazından boşaltılır. Karbonizasyon bir sıcaklık odasında başlar, lifleri 1292 °F (yaklaşık 700 °C) ila 1472 °F (700 °C ila 800 °C) sıcaklığa taşır ve 2192 °F (yaklaşık 1.200 °C) ila 2732 °F (yaklaşık 1.500 °C) sıcaklıktaki bir ısı odasında sona erer. Odaların sayısı karbon fiber içinde ihtiyaç duyulan modül tarafından belirlenir; yüksek ve orta derecede yüksek modüllü karbon fiberlerin nispeten yüksek fiyatı, kısmen ısı fırını tarafından elde edilmesi gereken süreklilik ve sıcaklıktan kaynaklanmaktadır. Süreklilik tescilli olmasına ve her karbon fiber sınıfının tamamen farklı olmasına rağmen, oksidasyon sürekliliği saat olarak hesaplanır, ancak karbonizasyon oranı dakika cinsinden bir büyüklük sırasına göre azalır. Lif durum değiştirdiğinde, ağırlığı ve hacmi azalır, uzunluğu %5 ila %100 oranında kısalır ve çapı küçülür. Aslında, PAN öncüsünün PAN karbon fibere dönüşüm niceliksel oranı yaklaşık 2:1'dir ve yer değiştirme kabiliyeti de bir çiftten daha azdır; yani, yönteme çok daha az malzeme girer. Bu yöntem, havadaki O moleküllerini çözgü içindeki PAN fiberleriyle birleştirir ve bileşik zincirlerinin çapraz bağlanmasını başlatır. Bu, fiber yoğunluğunu ~1,18 g/cc'den 1,38 g/cc'ye çıkarır.
karbon fiber Karbonizasyon

Yüzey işleme ve boyutlandırma

Yüzey işleme ve boyutlandırma
Bir sonraki adım, elyaf performansı için olmazsa olmazdır ve öncüllere ek olarak, bir tedarikçinin ürününü rakiplerinin ürünlerinden en iyi şekilde ayırır. Matris organik bileşiği ile karbon elyaflar arasındaki yapışma, kompoziti güçlendirmek için olmazsa olmazdır; karbon elyaf üretim yöntemi boyunca, bu yapışmayı artırmak için bir yüzey işlemi uygulanır.

Üreticiler tamamen farklı işlem yöntemleri kullansa da, standart teknik, lifleri dezenfektan veya asit gibi bir kimyasal veya çözelti içeren bir hücre aracılığıyla çekmektir. Bu malzemeler, her filamentin yüzeyini kaplar veya değiştirir; bu da yüzey lifi/matris bağlanması için erişilebilir alanı artırır ve karboksi asitler gibi reaktif kimyasal bileşikler ekler. Ardından, tutkal adı verilen son derece özel bir kaplama uygulanır. Karbon fiberin ağırlıkça %0,5 ila %5'i oranında tutkal, karbon fiberleri işlem boyunca (örneğin dokuma) kuru bez ve prepreg gibi bir ara ürüne dönüştürür. Tutkal ayrıca, lifler ile matris organik bileşiği arasındaki tüylenmeyi azaltmak, işlem kabiliyetini artırmak ve yüzey kayma mukavemetini artırmak için monofilamentleri tutar.

Gönderi zamanı: 01-11-2018
WhatsApp Online Sohbet!