كل شيء عن ألياف الكربون

إن معرفة كل شيء عن ألياف الكربون أمر مهم جدًا لكل شخص حديث. من خلال فهم تقنية إنتاج الكربون في روسيا ، والكثافة والخصائص الأخرى لألياف الكربون ، سيكون من الأسهل فهم نطاق تطبيقها واتخاذ القرار الصحيح. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكتشف كل شيء عن التسخين المعجون وتحت الأرضية باستخدام ألياف الكربون ، وعن الشركات المصنعة الأجنبية لهذا المنتج وحول مجالات التطبيق المختلفة.

تعتبر أسماء ألياف الكربون وألياف الكربون ، وفي عدد من المصادر أيضًا ألياف الكربون ، شائعة جدًا. لكن فكرة الخصائص الفعلية لهذه المواد وإمكانيات استخدامها مختلفة تمامًا لكثير من الناس. من وجهة نظر فنية ، يتم تجميع هذه المواد من خيوط ذات مقطع عرضي لا يقل عن 5 ميكرون ولا يزيد عن 15 ميكرون... يتكون كل التركيب تقريبًا من ذرات الكربون - ومن هنا جاءت التسمية. يتم تجميع هذه الذرات نفسها في بلورات هشة تشكل خطوطًا متوازية.

يوفر هذا التصميم قوة شد عالية جدًا. ألياف الكربون ليست اختراعًا جديدًا تمامًا. تم استلام العينات الأولى من مادة مماثلة واستخدامها من قبل Edison. في وقت لاحق ، في منتصف القرن العشرين ، شهدت ألياف الكربون نهضة - ومنذ ذلك الحين ازداد استخدامها بشكل مطرد.

يبقى أهم خصائص ألياف الكربون مقاومة استثنائية للحرارة... حتى إذا تم تسخين المادة إلى 1600-2000 درجة ، فلن تتغير معاييرها في حالة عدم وجود الأكسجين في البيئة. كثافة هذه المادة ، إلى جانب المعتاد ، خطية أيضًا (تقاس فيما يسمى tex). مع كثافة خطية تبلغ 600 تكس ، فإن كتلة 1 كم من الويب ستكون 600 جم. وفي كثير من الحالات ، يكون معامل المرونة للمادة ، أو ، كما يقولون ، معامل يونج مهمًا للغاية أيضًا.

بالنسبة للألياف عالية القوة ، يتراوح هذا الرقم من 200 إلى 250 جيجا باسكال. تتميز ألياف الكربون عالية المعامل المصنوعة على أساس PAN بمعامل مرن يبلغ حوالي 400 جيجا باسكال. بالنسبة لحلول الكريستال السائل ، يمكن أن تختلف هذه المعلمة من 400 إلى 700 جيجا باسكال. يُحسب معامل المرونة بناءً على تقدير قيمته عند شد بلورات الجرافيت الفردية. تم تحديد اتجاه المستويات الذرية باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية.

التوتر السطحي الافتراضي هو 0.86 نيوتن / م. عند معالجة المادة للحصول على ألياف معدنية مركبة ، يرتفع هذا الرقم إلى 1.0 نيوتن / م. يساعد القياس بطريقة الصعود الشعري في تحديد المعلمة المقابلة. درجة حرارة انصهار الألياف على أساس الملاعب البترولية هي 200 درجة. يتم الغزل عند حوالي 250 درجة ؛ تعتمد درجة انصهار أنواع الألياف الأخرى بشكل مباشر على تكوينها.

يعتمد أقصى عرض لأقمشة الكربون على المتطلبات التكنولوجية والفروق الدقيقة. بالنسبة للعديد من الشركات المصنعة ، يبلغ 100 أو 125 سم. أما القوة المحورية فتساوي:

• للمنتجات عالية القوة القائمة على PAN من 3000 إلى 3500 ميجا باسكال ؛
• للألياف ذات الاستطالة الكبيرة ، بدقة 4500 ميجا باسكال ؛
• للمواد عالية المعامل من 2000 إلى 4500 ميجا باسكال.

تعطي الحسابات النظرية لاستقرار البلورة تحت قوة الشد نحو المستوى الذري للشبكة قيمة تقديرية تبلغ 180 جيجا باسكال.الحد العملي المتوقع هو 100 جيجا باسكال. ومع ذلك ، لم تؤكد التجارب بعد وجود مستوى يزيد عن 20 جيجا باسكال. القوة الحقيقية لألياف الكربون محدودة بسبب عيوبها الميكانيكية والفروق الدقيقة في عملية التصنيع. ستكون قوة الشد للقسم الذي يبلغ طوله 1/10 ملم والتي تم تحديدها في الدراسات العملية من 9 إلى 10 جيجا باسكال.

تستحق ألياف الكربون T30 اهتمامًا خاصًا. تستخدم هذه المواد بشكل رئيسي في إنتاج القضبان. يتميز هذا الحل بخفته وتوازنه الممتاز. يشير مؤشر T30 إلى معامل مرونة يبلغ 30 طنًا.

يمكن تصنيع ألياف الكربون من مجموعة متنوعة من أنواع البوليمر. يحدد وضع المعالجة نوعين رئيسيين من هذه المواد - الأنواع المتفحمة والجرافيتية. يوجد تمييز مهم بين الألياف المشتقة من PAN وأنواع الملعب المختلفة. يمكن أن تحتوي ألياف الكربون عالية الجودة ، في كل من درجات القوة العالية والمعاملات العالية ، على مستويات متباينة من الصلابة والمعامل. من المعتاد إحالتهم إلى ماركات مختلفة.

تصنع الألياف في شكل خيوط أو حزمة. يتم تشكيلها من 1000 إلى 10000 خيوط متواصلة. يمكن أيضًا صنع أنسجة من هذه الألياف ، مثل السحب (في هذه الحالة ، يكون عدد الخيوط أكبر). المواد الخام الأولية ليست أليافًا بسيطة فحسب ، بل هي أيضًا نغمات بلورية سائلة ، بالإضافة إلى بولي أكريلونيتريل. تتضمن عملية الإنتاج أولاً إنتاج الألياف الأصلية ، ثم يتم تسخينها في الهواء عند درجة حرارة 200-300 درجة.

في حالة PAN ، تسمى هذه العملية المعالجة المسبقة أو تعزيز مقاومة الحريق. بعد مثل هذا الإجراء ، تحصل الملعب على خاصية مهمة مثل عدم الانصهار. تتأكسد الألياف جزئيًا. يحدد وضع التسخين الإضافي ما إذا كانوا سينتمون إلى المجموعة المكربنة أو الجرافيتية. تعني نهاية العمل إعطاء السطح الخصائص الضرورية ، وبعد ذلك يتم الانتهاء منه أو تغيير حجمه.

تزيد الأكسدة في الهواء من مقاومة الحريق ليس فقط نتيجة الأكسدة. يتم تقديم المساهمة ليس فقط عن طريق نزع الهيدروجين الجزئي ، ولكن أيضًا عن طريق التشابك بين الجزيئات والعمليات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل حساسية المادة للذوبان والتطاير لذرات الكربون. الكربنة (في مرحلة درجات الحرارة العالية) مصحوبة بالتغويز وهروب جميع الذرات الأجنبية.

يتم الكربنة اللاحقة في بيئة النيتروجين عند 1000 - 1500 درجة. المستوى الأمثل للتدفئة ، وفقًا لعدد من التقنيين ، هو 1200-1400 درجة. يجب تسخين الألياف عالية المعامل إلى حوالي 2500 درجة. في المرحلة الأولية ، يتلقى PAN بنية مجهرية سلم. التكثيف على المستوى الجزيئي ، المصحوب بظهور مادة عطرية متعددة الحلقات ، "مسؤول" عن حدوثه.

كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد حجم هيكل النوع الدوري. بعد انتهاء المعالجة الحرارية وفقًا للتقنية ، يكون ترتيب الجزيئات أو الأجزاء العطرية بحيث تكون المحاور الرئيسية موازية لمحور الألياف. يمنع التوتر سقوط درجة الاتجاه. يتم تحديد الميزات المحددة لتحلل PAN أثناء المعالجة الحرارية من خلال تركيز المونومرات المطعمة. يحدد كل نوع من هذه الألياف ظروف المعالجة الأولية.

يجب الحفاظ على طبقة البترول المتبلورة السائلة في درجات حرارة تتراوح من 350 إلى 400 درجة لفترة طويلة. سيؤدي هذا الوضع إلى تكثيف الجزيئات متعددة الحلقات. تزداد كتلتها ، ويحدث الالتصاق تدريجياً (مع تكوين الكريات البيض). إذا لم يتوقف التسخين ، تنمو الكريات الكروية ، ويزداد الوزن الجزيئي ، وتكون النتيجة تكوين طور بلوري سائل مستمر. تكون البلورات قابلة للذوبان في بعض الأحيان في الكينولين ، لكنها عادة لا تذوب فيه وفي البيريدين (وهذا يعتمد على الفروق الدقيقة في التكنولوجيا).

الألياف التي تم الحصول عليها من طبقة الكريستال السائل مع 55 - 65٪ بلورات سائلة تتدفق بشكل بلاستيكي. يتم الغزل عند 350-400 درجة. يتشكل الهيكل عالي التوجه عن طريق التسخين الأولي في جو جوي عند 200-350 درجة ثم الاحتفاظ به في جو خامل. يجب تسخين ألياف العلامة التجارية Thornel P-55 حتى 2000 درجة ، وكلما زاد معامل المرونة ، يجب أن تكون درجة الحرارة أعلى.

في الآونة الأخيرة ، تولي الأعمال العلمية والهندسية مزيدًا من الاهتمام للتكنولوجيا التي تستخدم الهدرجة. غالبًا ما يتم تحقيق الإنتاج الأولي للألياف عن طريق هدرجة خليط من قطران الفحم وصمغ النفثاليك. في هذه الحالة ، يجب أن يكون رباعي هيدروكينولين موجودًا. درجة حرارة المعالجة 380-500 درجة. يمكن إزالة المواد الصلبة عن طريق الترشيح والطرد المركزي ؛ ثم يتم سماكة الملاعب عند درجة حرارة مرتفعة. لإنتاج الكربون ، من الضروري استخدام (اعتمادًا على التكنولوجيا) مجموعة متنوعة تمامًا من المعدات:

• الطبقات التي توزع الفراغ ؛
• مضخات؛
• يسخر الختم
• طاولات العمل
• الفخاخ.
• شبكة موصلة
• أفلام فراغ
• بريجس.
• الأوتوكلاف.

الشركات المصنعة لألياف الكربون التالية رائدة في السوق العالمية:

• ثورنيل وفورتافيل وسيليون (الولايات المتحدة) ؛
• غرافيل ومودمور (إنجلترا) ؛
• كوريها - لون وتوريكا (اليابان) ؛
• صناعات Cytec؛
• سداسي
• مجموعة SGL ؛
• صناعات توراي
• زولتيك.
• ميتسوبيشي رايون.

يتم إنتاج الكربون اليوم في روسيا:

• مصنع تشيليابينسك للكربون والمواد المركبة ؛
• إنتاج الكربون بالاكوفو ؛
• NPK Khimprominzhiniring ؛
• مؤسسة ساراتوف "ستارت".

يتم استخدام ألياف الكربون في صنع التعزيزات المركبة. من الشائع أيضًا استخدامه للحصول على:

• أقمشة ثنائية الاتجاه
• أقمشة مصممة
• نسيج ذو محورين ورباعي المحاور ؛
• قماش غير محاك؛
• شريط أحادي الاتجاه
• بريجس.
• التعزيز الخارجي
• الأساسية؛
• أحزمة.

هو ابتكار جدي نوعا ما الآن أرضية دافئة بالأشعة تحت الحمراء. في هذه الحالة ، يتم استخدام المادة كبديل للسلك المعدني التقليدي. يمكن أن تولد حرارة أكثر بثلاث مرات ، بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل استهلاك الطاقة بحوالي 50٪. غالبًا ما يستخدم عشاق تقنيات النمذجة المعقدة أنابيب الكربون التي يتم الحصول عليها عن طريق اللف. هذه المنتجات مطلوبة أيضًا من قبل مصنعي السيارات والمعدات الأخرى. غالبًا ما تستخدم ألياف الكربون في فرامل اليد ، على سبيل المثال. أيضًا ، بناءً على هذه المادة ، احصل على:

• قطع غيار لنماذج الطائرات.
• اغطية قطعة واحدة
• دراجات؛
• قطع غيار لضبط السيارات والدراجات النارية.

ألواح النسيج الكربوني أكثر صلابة بنسبة 18٪ من الألومنيوم و 14٪ أكثر من الفولاذ الإنشائي... هناك حاجة لجلب على أساس هذه المواد للحصول على أنابيب وأنابيب ذات مقطع عرضي متغير ومنتجات حلزونية ذات أشكال مختلفة. كما أنها تستخدم لإنتاج وإصلاح مضارب الجولف. يجدر الإشارة أيضًا إلى استخدامه. في إنتاج أغلفة متينة بشكل خاص للهواتف الذكية وغيرها من الأدوات. عادة ما تكون هذه المنتجات ذات طابع متميز ولها صفات زخرفية محسّنة.

أما بالنسبة لمسحوق الجرافيت المشتت فهو مطلوب:

• عند تلقي الطلاءات الموصلة للكهرباء ؛
• عند تحرير الغراء من أنواع مختلفة ؛
• عند تقوية القوالب وبعض الأجزاء الأخرى.

معجون ألياف الكربون أفضل من المعجون التقليدي من عدة نواحٍ. يحظى هذا المزيج بتقدير العديد من الخبراء بسبب اللدونة والقوة الميكانيكية. التركيبة مناسبة لتغطية العيوب العميقة. قضبان أو قضبان الكربون قوية وخفيفة الوزن وطويلة الأمد. هذه المواد مطلوبة من أجل:

• طيران؛
• صناعة الصواريخ
• الافراج عن المعدات الرياضية.

عن طريق الانحلال الحراري لأملاح حمض الكربوكسيل ، يمكن الحصول على الكيتونات والألدهيدات.تسمح الخصائص الحرارية الممتازة لألياف الكربون باستخدامها في السخانات ومنصات التدفئة. هذه السخانات:

• اقتصادية.
• موثوق بها؛
• تتميز بكفاءة رائعة.
• لا تنشر إشعاعًا خطيرًا ؛
• مضغوط نسبيًا
• مؤتمت تماما
• تعمل بدون مشاكل لا داعي لها ؛
• لا تنشر ضوضاء غريبة.

تُستخدم مركبات الكربون والكربون في إنتاج:

• دعامات للبوتقات
• أجزاء مدببة لأفران صهر الفراغ ؛
• أجزاء أنبوبي لهم.

تشمل مجالات التطبيق الإضافية ما يلي:

• سكاكين محلية الصنع
• تستخدم لصمام البتلة على المحركات ؛
• استخدامها في البناء.

لطالما استخدم البناة الحديثون هذه المواد ليس فقط للتعزيز الخارجي. كما أنه ضروري لتقوية المنازل الحجرية وأحواض السباحة. تستعيد طبقة التسليح الملصقة صفات الدعامات والعوارض في الجسور. يتم استخدامه أيضًا عند إنشاء خزانات الصرف الصحي وتأطير الخزانات الطبيعية والاصطناعية ، عند العمل مع غواص وحفرة صومعة.

ستجد في الفيديو التالي مزيدًا من المعلومات حول إنتاج ألياف الكربون.