Serat karbon, yang dikenal sebagai raja material baru di abad ke-21, adalah mutiara cemerlang dalam material.Serat karbon (CF) adalah sejenis serat anorganik dengan kandungan karbon lebih dari 90%.Serat organik (serat berbahan dasar viscose, berbahan dasar pitch, serat berbahan dasar poliakrilonitril, dll.) dipirolisis dan dikarbonisasi pada suhu tinggi untuk membentuk tulang punggung karbon.
Sebagai serat bertulang generasi baru, serat karbon memiliki sifat mekanik dan kimia yang sangat baik.Ia tidak hanya memiliki karakteristik yang melekat pada bahan karbon, tetapi juga memiliki kelembutan dan kemampuan proses seperti serat tekstil.Oleh karena itu, banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, peralatan energi, transportasi, olahraga dan rekreasi
Ringan: sebagai material baru yang strategis dengan kinerja luar biasa, kepadatan serat karbon hampir sama dengan magnesium dan berilium, kurang dari 1/4 kepadatan baja.Penggunaan komposit serat karbon sebagai material struktur dapat mengurangi berat struktur sebesar 30% – 40%.
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 bahan struktural lainnya.
Koefisien muai kecil: koefisien muai panas sebagian besar serat karbon negatif pada suhu kamar, 0 pada 200-400 ℃, dan hanya 1,5 pada kurang dari 1000 ℃ × 10-6 / K, tidak mudah mengembang dan berubah bentuk karena kerja yang tinggi suhu.
Ketahanan korosi kimia yang baik: serat karbon memiliki kandungan karbon murni yang tinggi, dan karbon adalah salah satu unsur kimia yang paling stabil, menghasilkan kinerja yang sangat stabil dalam lingkungan asam dan alkali, yang dapat dibuat menjadi semua jenis produk kimia anti korosi.
Ketahanan lelah yang kuat: struktur serat karbon stabil.Menurut statistik jaringan polimer, setelah jutaan siklus uji kelelahan tegangan, tingkat retensi kekuatan komposit masih 60%, sedangkan baja 40%, aluminium 30%, dan plastik yang diperkuat serat kaca hanya 20%. % – 25%.
Komposit serat karbon adalah penguatan kembali serat karbon.Meskipun serat karbon dapat digunakan sendiri dan memiliki fungsi tertentu, serat karbon merupakan bahan yang rapuh.Hanya ketika dikombinasikan dengan material matriks untuk membentuk komposit serat karbon barulah ia 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 prekursor: berbasis poliakrilonitril (Pan), berbasis pitch (isotropik, mesofasa);Bahan dasar viscose (bahan dasar selulosa, bahan dasar rayon).Diantaranya, serat karbon berbasis poliakrilonitril (Pan) menempati posisi utama, dan keluarannya menyumbang lebih dari 90% dari total serat karbon, sedangkan serat karbon berbasis viscose menyumbang kurang dari 1%.
Menurut kondisi dan metode pembuatan: serat karbon (800-1600 ℃), serat grafit (2000-3000 ℃), serat karbon aktif, serat karbon yang ditumbuhkan dengan uap.
Menurut sifat mekaniknya, dapat dibagi menjadi tipe umum dan tipe kinerja tinggi: kekuatan serat karbon tipe umum sekitar 1000MPa, dan modulusnya sekitar 100GPa;Tipe kinerja tinggi dapat dibagi menjadi tipe kekuatan tinggi (kekuatan 2000mPa, modulus 250gpa) dan model tinggi (modulus 300gpa atau lebih), di antaranya kekuatan yang lebih besar dari 4000mpa juga disebut tipe kekuatan ultra-tinggi, dan modulus yang lebih besar dari 450gpa adalah disebut model ultra-tinggi.
Menurut ukuran derek, dapat dibagi menjadi derek kecil dan derek besar: derek kecil serat karbon terutama 1K, 3K dan 6K pada tahap awal, dan secara bertahap berkembang menjadi 12K dan 24K, yang terutama digunakan di luar angkasa, olahraga dan bidang 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 merupakan dua indeks utama untuk mengevaluasi sifat serat karbon.Berdasarkan hal ini, Tiongkok mengumumkan standar nasional untuk serat karbon berbasis PAN (GB / t26752-2011) pada tahun 2011. Pada saat yang sama, karena keunggulan absolut Toray dalam industri serat karbon global, sebagian besar pabrikan dalam negeri juga mengadopsi standar klasifikasi Toray sebagai acuan.
1.2 Hambatan yang tinggi membawa nilai tambah yang tinggi.Memperbaiki proses dan mewujudkan produksi massal dapat mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi secara signifikan
1.2.1 hambatan teknis industri ini tinggi, produksi prekursor adalah intinya, dan karbonisasi dan oksidasi adalah kuncinya
Proses produksi serat karbon sangatlah kompleks sehingga membutuhkan peralatan dan teknologi tinggi.Pengendalian presisi, suhu dan waktu setiap link akan sangat mempengaruhi kualitas produk akhir.Serat karbon poliakrilonitril telah menjadi serat karbon yang paling banyak digunakan dan menghasilkan keluaran tertinggi saat ini karena proses persiapannya yang relatif sederhana, biaya produksi yang rendah, dan pembuangan tiga limbah yang mudah.Propana bahan baku utama dapat dibuat dari minyak mentah, dan rantai industri serat karbon PAN mencakup proses manufaktur lengkap mulai dari energi primer hingga aplikasi terminal.
Setelah propana dibuat dari minyak mentah, propilena diperoleh dengan dehidrogenasi katalitik selektif (PDH) propana;
Akrilonitril diperoleh dengan amoksidasi propilena.Prekursor poliakrilonitril (Pan) diperoleh melalui polimerisasi dan pemintalan akrilonitril;
Poliakrilonitril dipraoksidasi, dikarbonisasi pada suhu rendah dan tinggi untuk mendapatkan serat karbon, yang dapat dibuat menjadi kain serat karbon dan prepreg serat karbon untuk produksi komposit serat karbon;
Serat karbon dikombinasikan dengan resin, keramik, dan bahan lain untuk membentuk komposit serat karbon.Terakhir, produk akhir untuk aplikasi hilir diperoleh melalui berbagai proses pencetakan;
Kualitas dan tingkat kinerja prekursor secara langsung menentukan kinerja akhir serat karbon.Oleh karena itu, peningkatan kualitas larutan pemintalan dan optimalisasi faktor pembentukan prekursor menjadi poin kunci dalam pembuatan 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, pemintalan basah dan pemintalan basah kering terutama digunakan untuk memproduksi prekursor poliakrilonitril di dalam dan luar negeri, di antaranya pemintalan basah adalah yang paling banyak digunakan.
Pemintalan basah pertama-tama mengeluarkan larutan pemintalan dari lubang pemintal, dan larutan pemintalan memasuki bak koagulasi dalam bentuk aliran kecil.Mekanisme pemintalan larutan pemintalan poliakrilonitril adalah terdapat kesenjangan yang besar antara konsentrasi DMSO dalam larutan pemintalan dan wadah koagulasi, serta terdapat kesenjangan yang besar pula antara konsentrasi air dalam wadah koagulasi dan larutan poliakrilonitril.Di bawah interaksi dua perbedaan konsentrasi di atas, cairan mulai berdifusi ke dua arah, dan akhirnya mengembun menjadi filamen melalui perpindahan massa, perpindahan panas, pergerakan kesetimbangan fasa, dan proses lainnya.
Dalam produksi prekursor, jumlah sisa DMSO, ukuran serat, kekuatan monofilamen, modulus, perpanjangan, kandungan minyak dan penyusutan air mendidih menjadi faktor kunci yang mempengaruhi kualitas prekursor.Mengambil jumlah sisa DMSO sebagai contoh, hal ini mempunyai pengaruh terhadap sifat prekursor, keadaan penampang dan nilai CV dari produk akhir serat karbon.Semakin rendah jumlah sisa DMSO, semakin tinggi kinerja produk.Dalam produksi, DMSO sebagian besar dihilangkan dengan pencucian, jadi cara mengontrol suhu pencucian, waktu, jumlah air yang dihilangkan garamnya, dan jumlah siklus pencucian menjadi penghubung yang penting.
Prekursor poliakrilonitril berkualitas tinggi harus memiliki karakteristik sebagai berikut: kepadatan tinggi, kristalinitas tinggi, kekuatan yang sesuai, penampang melingkar, cacat fisik lebih sedikit, permukaan halus dan struktur inti kulit seragam dan padat.
Kontrol suhu karbonisasi dan oksidasi adalah kuncinya.Karbonisasi dan oksidasi merupakan langkah penting dalam produksi produk akhir serat karbon dari prekursor.Pada langkah ini, keakuratan dan kisaran suhu harus dikontrol secara akurat, jika tidak, kekuatan tarik produk serat karbon akan sangat terpengaruh, dan bahkan menyebabkan putusnya kawat.
Praoksidasi (200-300 ℃): dalam proses praoksidasi, prekursor PAN dioksidasi secara perlahan dan ringan dengan menerapkan tegangan tertentu pada atmosfer pengoksidasi, membentuk sejumlah besar struktur cincin berdasarkan rantai lurus pan, sehingga dapat mencapai tujuan menahan perlakuan suhu yang lebih tinggi.
Karbonisasi (suhu maksimum tidak lebih rendah dari 1000 ℃): proses karbonisasi harus dilakukan dalam atmosfer inert.Pada tahap awal karbonisasi, rantai panci putus dan reaksi ikatan silang dimulai;Dengan meningkatnya suhu, reaksi dekomposisi termal mulai melepaskan sejumlah besar gas molekul kecil, dan struktur grafit mulai terbentuk;Ketika suhu semakin meningkat, kandungan karbon meningkat dengan cepat dan serat karbon mulai terbentuk.
Grafitisasi (suhu perlakuan di atas 2000 ℃): grafitisasi bukanlah proses yang diperlukan untuk produksi serat karbon, tetapi merupakan proses opsional.Jika modulus elastisitas serat karbon diharapkan tinggi, diperlukan grafitisasi;Jika diharapkan serat karbon berkekuatan tinggi, grafitisasi tidak diperlukan.Dalam proses grafitisasi, suhu tinggi membuat serat membentuk struktur jaring grafit yang dikembangkan, dan struktur tersebut diintegrasikan dengan gambar untuk mendapatkan produk akhir.
Hambatan teknis yang tinggi memberikan nilai tambah yang tinggi pada produk hilir, dan harga komposit penerbangan 200 kali lebih tinggi dibandingkan sutra mentah.Karena tingginya kesulitan dalam penyiapan serat karbon dan proses yang kompleks, semakin hilirisasi produk maka semakin tinggi nilai tambahnya.Khusus untuk komposit serat karbon kelas atas yang digunakan di bidang kedirgantaraan, karena pelanggan hilir memiliki persyaratan yang sangat ketat mengenai keandalan dan stabilitasnya, harga produk juga menunjukkan pertumbuhan berlipat ganda dibandingkan dengan serat karbon biasa.
Waktu posting: 22 Juli-2021