탄소 섬유 정의 및 조성
탄소 함량 및 기본 특성 탄소 섬유 (CF)는 95% 이상의 탄소를 함유하는 고강도 및 고 계수 섬유를 갖는 새로운 유형의 섬유 물질입니다. 그것은 탄화 및 흑연화 후 섬유의 축 방향을 따라 플레이크 흑연 미세 결정과 같은 유기 섬유를 쌓아서 수득 된 미세 결정질 흑연 물질이다. 탄소 섬유의 질량은 금속 알루미늄보다 가볍지 만 강도는 강철보다 높으며 부식성, 높은 계수, 저밀도, 크리프, 우수한 전기 및 열전도율, 비의 초고온에 대한 저항의 특성을 갖습니다. -산화 환경 및 우수한 피로 저항.
탄소 섬유의 탄소 함량은 다른 섬유 물질과 구별되는 중요한 지표입니다. 일반적으로, 탄소 섬유의 탄소 함량은 90%보다 높으며, 이는 고강도, 높은 계수, 저밀도 및 기타 특성을 갖는 물리적 특성에서 탄소 섬유를 만듭니다. 탄소 섬유의 밀도는 입방 센티미터 당 약 1.5 내지 2.0 그램이며, 이는 주로 탄화 온도에 의해 결정된다. 고온 3000 000 흑연 처리 후, 입방 센티미터 당 최대 2.0 그램의 밀도.
미세 결정 구조 및 재료 조성
탄소 섬유의 미세 결정 구조는 고유 한 특성의 핵심입니다. 탄소 섬유는 주로 탄소로 구성되며, 그 형태는 상당한 이방성을 가지고 있으며, 소프트는 섬유 축의 방향을 따라 다양한 직물로 처리 될 수 있습니다. 탄소 섬유의 미세 결정 구조는 혼란스러운 흑연 구조 인 인공 흑연과 유사하다. 탄소 섬유 층 사이의 간격은 약 3.39 ~ 3.42Å입니다. 평행 층 사이의 탄소 원자의 배열은 흑연의 것만 큼 깔끔하지 않으며, 층은 반 데르 발스 힘에 의해 서로 연결된다.
탄소 섬유의 구조는 또한 일반적으로 2 차원 차수 결정 및 기공으로 구성된 것으로 간주되며, 여기서 기공의 함량, 크기 및 분포는 탄소 섬유의 성능에 더 큰 영향을 미칩니다. 다공성이 특정 임계 값 미만인 경우, 다공성은 계층 전단 강도, 굽힘 강도 및 탄소 섬유 복합재의 인장 강도에 유의 한 영향을 미치지 않습니다. 일부 연구에 따르면 재료의 기계적 특성을 감소시키는 임계 기공은 1%-4%라고 지적했습니다.
탄소 섬유의 미세 결정 구조에서, 흑연 미세 결정 크기 및 플라이 간격은 두 가지 중요한 파라미터이다. 고 결합 탄소 섬유는 흑연 래멜라 결함이 적고, 더 단단한 스태킹 및 더 높은 탄소 함량을 갖는 국부적으로 정렬 된 3 차원 흑연 결정 구조를 가지고있다. 고 강성 탄소 섬유로부터 고 결합 탄소 섬유를 제조하는 동안, 탄소 섬유의 계수가 증가함에 따라 강도 손실은 분명하며, 이는 미세 결정 구조의 진화와 밀접한 관련이있다. 탄소 섬유의 미세 결정질 및 기공 구조의 형성 및 진화는 탄소 섬유의 특성에 공동으로 영향을 미친다.
탄소 섬유 분류
원료 시스템에 의한 탄소 섬유의 분류 카본 섬유는 주로 원료 시스템에 따라 세 가지 주요 범주로 분류됩니다 : 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN) 기반 탄소 섬유, 아스팔트 기반 탄소 섬유 및 비면 기반 탄소 섬유는 각각이 있습니다. 고유 한 원료 및 준비 과정의 공급원.
PAN 기반 탄소 섬유 : f는 현재 시장의 주류 제품으로, 전 세계 탄소 섬유 생산량의 90% 이상을 차지하고 있습니다. 섬유는 간단한 생산 공정, 저렴한 비용, 높은 탄화 흡수 속도, 우수한 기계적 특성 및 기타 특성으로 인해. 주요 원료는 아크릴로 니트릴이며, PAN 프로토 필라멘트는 중합 및 회전 공정을 통해 제조 된 다음, 사전 산화, 탄화 및 흑연화 과정을 통해 탄소 섬유로 제조된다.
아스팔트 기반 탄소 섬유 : 변조 후, 회전, 비 멜팅 처리, 탄화 또는 그래 핏화 처리 및 기타 단계. 아스팔트 기반 탄소 섬유는 탄소 수율이 높지만 원료 조절은 복잡하고 제품 성능은 낮으며 현재 규모는 작습니다. 피치 기반 탄소 섬유는 계수, 마찰 및 열전도율에있어 장점이 있으므로 항공 우주에 응용 프로그램이 있습니다.
비oScose 기반 탄소 섬유 : 는 저렴한 탄화 수율, 기술 난이도, 복잡한 장비 및 높은 비용을 통해 Rayon으로 만들어졌습니다. 비oScose 기반 탄소 섬유는 주로 절제 저항성 재료 및 열 변환 재료에 사용됩니다. 원료는 천연 제품이며 금속 이온이 포함되어 있지 않기 때문에 전략적 무기, 항 정성 및 항 전자기 웨이브 의류 보호 재료를위한 열 변환 재료와 같은 특정 분야에서는 대체 할 수없는 이점이 있습니다.
성능에 의한 분류 탄소 섬유는 주로 인장 강도 및 인장 모듈러스를 기반으로하는 성능으로 분류되며, 이는 두 개의 기계적 특성 지수이며, 일반적인 목적, 고강도 (GQ), 고 강성 중간 모델로 나눌 수 있습니다 ( QZ), 높은 모델 (M) 등.
범용 탄소 섬유 : 기본 기계적 특성이 있으며 스포츠 장비, 자동차 부품 등과 같은 일반적인 산업 응용 분야에 적합합니다.
고강도 탄소 섬유 : 대리식, 군사 장비 등에 널리 사용되는 일반 목적보다 높은 인장 강도가 높았으며,이 중 모델 T300, T700, T800 등은 일반적인 고강도 탄소 섬유입니다.
고강도 중간 모델 탄소 섬유 : 고강도 외에도 높은 계수 특성을 가지고 있으며, 강도와 강성이 필요한 응용 분야에 적합합니다.
높은 모델 탄소 섬유 : M40, M60 및 기타 모델과 같은 높은 계수로 특징 지어지면 위성 구조 구성 요소, 항공기 메인 베어링 구성 요소 등과 같은 높은 강성이 필요한 응용 분야에 주로 사용됩니다.
상이한 특성을 갖는 탄소 섬유는 상이한 제조 공정 및 열처리 조건을 통해 실현되어 다른 응용 분야의 특성에 대한 특정 요구 사항을 충족시킨다. 기술의 발전과 응용 영역의 확장으로, 탄소 섬유의 성능 분류도 개선되고 개선되고 있습니다.
탄소 섬유 제조 공정
회전 과정
탄소 섬유 제조는 회전 공정으로 시작되는데, 이는 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN)과 같은 유기 중합체와 같은 전구체 재료가 섬유 형태로 화학적으로 전환되는 단계입니다.
회전 과정은 일반적으로 습식 회전, 건조 회전 및 습식/건조 회전으로 분류됩니다.
습식 회전 : 율 습식 회전에서, 중합체 용액은 스피너 레트 구멍을 통해 응고 욕조로 압출되며, 여기서 응고 확산에 의해 응고가 달성된다. 이 방법은 생산 속도가 낮고 복잡한 공정이지만 매끄럽고 균일 한 표면을 가진 섬유를 생성 할 수 있습니다. 습식 스펀 탄소 섬유의 표면은 상당한 홈을 가지고 있으며, 이는 후속 복합 특성에 영향을 줄 수 있습니다.
건조 회전 : 건조 회전에서, 중합체 용액은 스피너 레트에서 그리고 회전 운하로 직접 눌러지고, 운하의 뜨거운 공기 흐름은 용매가 빠르게 증발하게되며, 경화는 원래 액체 증발. 건식 회전은 지속적인 생산, 빠른 회전 속도, 대량 출력, 환경 오염이 적고 섬유질 품질 및 화학 저항 및 염색 특성이 가능합니다.
습식 및 건조 회전 : spin 건조 및 젖은 방법의 특성을 결합하여 스피닝 스톡을 스피너 레트에서 눌렀다가 응고 욕조에 들어가기 전에 공기 층의 한 부분을 통과합니다. 이 프로세스는 생산성이 높고 양질의 탄소 섬유를 생산하며 생산 비용이 낮습니다. 건조 및 습식 회전 용액 최대 50 ~ 100 pa -s의 점도는 회전 용 스톡 용액의 농도를 향상시키고 용매의 회수 및 단위 소비를 줄일 수 있습니다.
안정화
안정화 처리는 탄소 섬유 제조 공정의 핵심 단계이며, 주요 목적은 후속 탄화 공정을 준비하여 전구체 섬유의 열 안정성을 향상시키는 것입니다. 이 단계에서, 전구체 섬유는 공기 중 200-300 ℃로 가열되어 산화 반응 및 사다리꼴 구조의 형성을 촉진하여 섬유의 열 안정성을 개선시킨다.
산화 안정성 : st 안정화 된 섬유는 더 나은 산화 안정성을 나타내며, 이는 가혹한 조건에서 사용을 용이하게합니다. 연구에 따르면 안정화 된 PAN 기반 탄소 섬유는 순환 정도 감소, 열 분해 속도가 빠르며 최종 탄소 수율이 낮습니다.
열처리 효과 : 안정화 처리의 시간과 온도는 탄소 섬유의 특성에 중대한 영향을 미칩니다. 일반적으로, 안정화 처리 시간은 몇 시간으로 측정되지만 탄화 시간은 몇 분 더 짧고 분만에 측정됩니다. 섬유는 안정화 처리를 거쳐 상당한 체중 감량 및 직경 감소를 초래합니다.
탄화 및 흑화 처리
탄소화 및 흑화 처리는 탄소 섬유 제조 공정의 최종 열처리 단계이며, 함께 탄소 섬유의 최종 특성을 결정합니다.
탄화 : 탄화 과정에서 PAN 프리 옥시 화 필라멘트는 불활성 대기에 있으며 400 ° C에서 1600 ° C로 점차 가열되어 저온 탄화 400-1000 ° C 및 고온 탄산화의 두 영역을 통과합니다. 1000-1600 ° C. PAN 프리 옥시 화 필라멘트는 400 ℃ 내지 1600 ℃에서 점차적으로 가열된다. 이 온도에서, 사전 산소화 된 필라멘트에서 N, H 및 O와 같은 비 탄소 원소는 180% 이상의 탄소 함량을 갖는 탄소 섬유를 생산하기 위해 섬유로부터 방출된다.
흑연화 : 그립 화 처리는 일반적으로 탄소 섬유 내부의 혼란스러운 흑연 층 구조로부터 규칙적인 3 차원 흑연 결정 구조를 형성하기 위해 2,500 내지 3,000 ℃의 고온에서 수행된다. 이 공정은 탄소 섬유의 인장 모듈러스를 크게 증가시킬 수 있으므로 흑연 화 된 탄소 섬유는 항공 우주 및 기타 최첨단 기술에 널리 사용됩니다.
미세 구조 진화 : 흑박수 과정에서, 흑연 섬유의 미세 구조는 크기가 증가하고 층 간격이 감소함에 따라 중대한 변화를 겪고, 0.335 n의 흑연 결정의 이상적인 층 간격에 접근 함. 탄소 섬유의 기계적 및 열 특성.
