Serat Karbon - Bahan Emas Hitam, Dengan Hambatan Industri Tinggi Dan Nilai Tambah Produk Tinggi

1. Serat karbon kaku dan fleksibel, dan banyak digunakan dalam aplikasi hilir

Sejarah perkembangan material erat kaitannya dengan sejarah perkembangan manusia, dan material baru merupakan kekuatan pendorong yang kuat bagi umat manusia untuk berpindah dari "kerajaan alam" ke "kebebasan". Bahan biasanya didefinisikan sebagai zat yang digunakan untuk membuat benda yang berguna, dan kemampuan manusia untuk mengenali dan memanfaatkan bahan secara langsung menentukan bentuk sosial dan standar hidup manusia. Pada masa kini, material, energi, dan informasi telah menjadi tiga pilar peradaban sosial dan ekonomi nasional, dan di antaranya material merupakan basis material dan pemimpin teknologi dari perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Sepanjang sejarah perkembangan material secara keseluruhan, dapat diringkas menjadi enam periode perkembangan alat-alat batu/perkakas perunggu/perkakas besi/baja/silikon/bahan baru dari segi waktu. Diantaranya, dengan terbukanya revolusi teknologi baru pada paruh kedua abad ke-20, material baru telah menjadi pendorong pengembangan berbagai bidang teknologi tinggi. Misalnya, teknologi komputer bergantung pada produksi industri bahan semikonduktor, dan industri kedirgantaraan membutuhkan sejumlah besar bahan struktural bersuhu tinggi dan berkekuatan tinggi. Itu cocok dengan itu, dan komunikasi serat optik modern didasarkan pada serat optik konsumsi rendah.

Serat karbon, yang dikenal sebagai raja material baru di abad ke-21, adalah permata yang bersinar di mahkota material. Serat karbon (disingkat CF) adalah serat anorganik dengan kandungan karbon lebih dari 90 persen . Ini disiapkan dengan memecahkan dan mengkarbonisasi serat organik (serat berbasis viscose, berbasis pitch, berbasis poliakrilonitril, dll.) dalam lingkungan suhu tinggi untuk membentuk mekanisme tulang punggung karbon. Sebagai generasi baru serat penguat, serat karbon memiliki sifat mekanik dan kimia yang sangat baik, tidak hanya memiliki karakteristik yang melekat pada bahan karbon, tetapi juga memiliki kemampuan proses yang lembut dari serat tekstil, sehingga banyak digunakan di ruang angkasa, peralatan energi, transportasi, olahraga. Kenyamanan dan bidang lainnya:

Ringan: Sebagai bahan baru yang strategis dengan kinerja yang sangat baik, kepadatan serat karbon pada dasarnya sama dengan magnesium dan berilium, dan kurang dari 1/4 baja. Penggunaan material komposit serat karbon sebagai material struktur dapat mengurangi massa struktur sebesar 30 persen -40 persen.

Kekuatan tinggi dan modulus tinggi: Kekuatan spesifik serat karbon 5 kali lebih tinggi dari baja dan 4 kali lebih tinggi dari paduan aluminium; modulus spesifiknya adalah 1,3-12,3 kali lipat dari bahan struktural lainnya.

Koefisien ekspansi kecil: Koefisien ekspansi termal sebagian besar serat karbon negatif pada suhu kamar, 0 pada 200-400 derajat , dan hanya 1,5 × 10-6 /K bila kurang dari 1000 derajat , sehingga tidak mudah mengembang dan berubah bentuk karena suhu kerja yang tinggi.

Ketahanan korosi kimia yang baik: Serat karbon memiliki kandungan karbon murni yang tinggi, dan karbon adalah salah satu elemen kimia paling stabil, yang membuatnya sangat stabil di lingkungan asam dan alkali, dan dapat dibuat menjadi berbagai produk kimia anti korosi.

Ketahanan lelah yang kuat: Struktur serat karbon stabil. Menurut statistik jaringan polimer, tingkat retensi kekuatan bahan komposit masih 60 persen setelah jutaan siklus kelelahan stres, dibandingkan dengan 40 persen untuk baja, 30 persen untuk aluminium, dan 30 persen untuk plastik yang diperkuat serat kaca. Maka hanya 20 persen -25 persen .

Bahan komposit serat karbon diperkuat kembali berdasarkan serat karbon. Meskipun serat karbon dapat digunakan sendiri dan melakukan fungsi tertentu, bagaimanapun juga ini adalah bahan yang rapuh. Hanya ketika dikombinasikan dengan bahan matriks untuk membentuk bahan komposit serat karbon dapat memberikan sifat mekanik yang lebih baik dan membawa lebih banyak beban.

Serat karbon dapat diklasifikasikan menurut dimensi yang berbeda seperti jenis prekursor, metode pembuatan, dan kinerja:

Menurut jenis sutra mentah: berbasis poliakrilonitril (PAN), berbasis pitch (isotropik, mesofase); berbasis viscose (berbasis selulosa, berbasis rayon). Di antara mereka, serat karbon berbasis poliakrilonitril (PAN) menempati posisi utama, dengan output terhitung lebih dari 90 persen dari total serat karbon, dan serat karbon berbasis viscose kurang dari 1 persen .

Klasifikasi menurut kondisi dan metode pembuatan: serat karbon (800-1600 derajat ), serat grafit (2000-3000 derajat ), serat karbon aktif, serat karbon yang ditumbuhkan uap.

Menurut sifat mekanik, dapat dibagi menjadi tipe tujuan umum dan tipe kinerja tinggi: serat karbon tujuan umum memiliki kekuatan 1000MPa dan modulus sekitar 100GPa;), di mana kekuatan lebih besar dari 4000MPa juga disebut jenis kekuatan ultra-tinggi, dan modulus yang lebih besar dari 450GPa disebut model ultra-tinggi.

Menurut ukuran derek, dapat dibagi menjadi derek kecil dan derek besar: serat karbon derek kecil terutama 1K, 3K, 6K pada tahap awal, dan secara bertahap berkembang menjadi 12K dan 24K, yang terutama digunakan di ruang angkasa, bidang olahraga dan rekreasi. Serat karbon di atas 48K biasanya disebut serat karbon derek besar, termasuk 48K, 60K, 80K, dll., Yang terutama digunakan di bidang industri.

Kekuatan tarik dan modulus tarik adalah dua indikator terpenting untuk mengukur kinerja serat karbon. Berdasarkan hal ini, negara saya mengumumkan "Standar Nasional untuk Serat Karbon berbasis Polyacrylonitrile (PAN) (GB/T26752-2011)" pada tahun 2011. Pada saat yang sama, karena Toray Jepang memiliki keunggulan mutlak di pasar global. industri serat karbon, sebagian besar produsen dalam negeri juga mengadopsi standar klasifikasi Toray Jepang sebagai referensi.

2. Hambatan teknis yang tinggi dalam industri, produksi sutra mentah adalah intinya, karbonisasi dan oksidasi adalah kuncinya

Proses produksi serat karbon sangat kompleks dan membutuhkan peralatan dan teknologi yang sangat tinggi. Kontrol akurasi, suhu, dan waktu setiap tautan akan sangat memengaruhi kualitas produk akhir. Serat karbon poliakrilonitril telah menjadi serat karbon dengan bidang aplikasi terluas dan keluaran tertinggi pada tahap ini karena proses persiapannya yang relatif sederhana, biaya produksi yang rendah, dan pembuangan tiga limbah yang mudah. Bahan baku utamanya, propana, dapat diperoleh dari minyak mentah, dan rantai industri serat karbon poliakrilonitril mencakup proses manufaktur lengkap dari energi primer hingga aplikasi penggunaan akhir.

Setelah menyiapkan propana dari minyak mentah, propana dapat diperoleh dengan dehidrogenasi katalitik selektif (PDH);

Akrilonitril diperoleh setelah ammoksidasi propilena, dan prekursor poliakrilonitril (PAN) diperoleh setelah polimerisasi dan pemintalan akrilonitril;

Polyacrylonitrile dipra-oksidasi, dikarbonisasi pada suhu rendah dan suhu tinggi untuk mendapatkan serat karbon, dan dapat dibuat menjadi kain serat karbon dan prepreg serat karbon untuk produksi bahan komposit serat karbon;

Serat karbon dikombinasikan dengan resin, keramik dan bahan lainnya untuk membentuk bahan komposit serat karbon, dan akhirnya produk akhir yang dibutuhkan oleh aplikasi hilir diperoleh dengan berbagai proses pencetakan;

Kualitas dan tingkat kinerja prekursor secara langsung menentukan kinerja akhir serat karbon. Oleh karena itu, meningkatkan kualitas solusi pemintalan dan mengoptimalkan berbagai faktor pembentukan serat prekursor telah menjadi kunci utama dalam persiapan serat karbon berkualitas tinggi.

Menurut "Penelitian Proses Produksi Prekursor Serat Karbon Berbasis Poliakrilonitril", proses pemintalan terutama mencakup tiga kategori: pemintalan basah, pemintalan kering dan pemintalan basah-kering. Saat ini, proses produksi prekursor poliakrilonitril di dalam dan luar negeri terutama mengadopsi pemintalan basah dan pemintalan basah kering, di antaranya pemintalan basah paling banyak digunakan.

Dalam pemintalan basah, larutan pemintalan pertama-tama diekstrusi dari lubang pemintal, dan larutan pemintalan memasuki bak koagulasi dalam bentuk aliran halus. Mekanisme pemintalan larutan pemintalan poliakrilonitril adalah: ada kesenjangan yang besar antara konsentrasi DMSO (dimetil sulfoksida) dalam larutan pemintalan dan bak koagulasi, dan konsentrasi air dalam bak koagulasi dan larutan poliakrilonitril juga besar. celah. Di bawah interaksi dua perbedaan konsentrasi di atas, cairan mulai berdifusi ke dua arah, dan akhirnya mengembun menjadi filamen melalui proses seperti perpindahan massa, perpindahan panas, dan gerakan kesetimbangan fase.

DMSO sisa, kehalusan, kekuatan monofilamen, modulus, elongasi, kandungan minyak, dan susut air didih dalam produksi sutra mentah menjadi faktor kunci yang mempengaruhi kualitas sutra mentah. Mengambil jumlah sisa DMSO sebagai contoh, ini memiliki efek pada sifat nyata dari prekursor, keadaan penampang, dan nilai CV dari produk serat karbon akhir. Semakin rendah jumlah sisa DMSO, semakin tinggi kinerja produk. Dalam produksi, DMSO terutama dihilangkan dengan pencucian, jadi bagaimana mengontrol suhu pencucian, waktu, jumlah air desalinasi dan jumlah sirkulasi pencucian menjadi hubungan penting.

Prekursor poliakrilonitril berkualitas tinggi harus memiliki karakteristik berikut: kepadatan tinggi, kristalinitas tinggi, kekuatan yang sesuai, penampang melingkar, cacat fisik yang lebih sedikit, dan pada saat yang sama memiliki permukaan yang halus dan struktur inti kulit yang seragam dan padat.

Kontrol suhu karbonisasi dan oksidasi adalah kuncinya. Karbonisasi dan oksidasi merupakan mata rantai penting dalam produksi sutra mentah menjadi produk akhir serat karbon. Dalam tautan ini, presisi dan kisaran suhu perlu dikontrol secara akurat, jika tidak, kekuatan tarik produk serat karbon akan terpengaruh secara signifikan, dan bahkan kerusakan kawat akan terjadi:

Pra-oksidasi (200-300 derajat ): Dalam proses pra-oksidasi, dengan menerapkan tegangan tertentu dalam atmosfer pengoksidasi, prekursor PAN dioksidasi secara perlahan dan ringan, dan sejumlah besar struktur cincin terbentuk pada dasar rantai lurus PAN, sehingga dapat menahan Tujuan pemrosesan suhu yang lebih tinggi.

Karbonisasi (suhu maksimum tidak lebih rendah dari 1000 derajat): Proses karbonisasi perlu dilakukan dalam atmosfer inert. Pada tahap awal karbonisasi, rantai lurus PAN terputus, dan reaksi pengikatan silang dimulai; ketika suhu meningkat secara bertahap, reaksi dekomposisi termal dimulai, melepaskan sejumlah besar gas molekuler kecil, dan struktur grafit mulai terbentuk; setelah suhu naik lebih lanjut, kandungan karbon meningkat dengan cepat, dan serat karbon mulai terbentuk.

Grafitisasi (suhu pemrosesan di atas 2000 derajat): Grafitisasi bukanlah proses yang diperlukan untuk produksi serat karbon, tetapi tautan opsional. Jika serat karbon diharapkan memiliki modulus elastisitas yang tinggi, grafitisasi diperlukan; jika serat karbon diharapkan memperoleh kekuatan tinggi, grafitisasi tidak diperlukan. Dalam proses grafitisasi, suhu tinggi menyebabkan struktur mesh grafit yang berkembang terbentuk di dalam serat, dan struktur dinormalisasi dengan menggambar untuk mendapatkan produk akhir.

Hambatan teknis yang tinggi memberikan produk hilir dengan nilai tambah yang tinggi, dan harga bahan komposit kedirgantaraan 200 kali lebih tinggi daripada sutra mentah. Karena tingginya kesulitan dalam penyiapan serat karbon dan proses yang kompleks, semakin hilir produknya, semakin tinggi nilai tambah, terutama bahan komposit serat karbon kelas atas yang digunakan di bidang kedirgantaraan. Karena pelanggan hilir memiliki persyaratan keandalan dan stabilitas yang sangat ketat, harga produk juga meningkat secara geometris dibandingkan dengan serat karbon biasa.