Kõik süsinikkiust

Süsinikkiust kõike teada saada on iga kaasaegse inimese jaoks väga oluline. Mõistes Venemaal süsiniku tootmise tehnoloogiat, süsinikkanga tihedust ja muid omadusi, on lihtsam mõista selle rakendusala ja teha õige valik. Lisaks peaksite uurima kõike pahtli ja süsinikkiuga põrandakütte, selle toote välismaiste tootjate ja erinevate rakenduste kohta.

Väga levinud on nimetused süsinikkiud ja süsinik ning mitmetes allikates ka süsinikkiud. Kuid idee nende materjalide tegelikest omadustest ja nende kasutamise võimalustest paljude jaoks on üsna erinev. Tehnilisest vaatenurgast see materjal on kokku pandud niitidest, mille ristlõige on vähemalt 5 ja mitte üle 15 mikronit. Peaaegu kogu koostise moodustavad süsinikuaatomid – sellest ka nimi. Need aatomid ise on rühmitatud selgeteks kristallideks, mis moodustavad paralleelseid jooni.

See disain tagab väga suure vastupidavuse tõmbejõule. Süsinikkiud ei ole täiesti uus leiutis. Edison sai ja kasutas esimesed sarnase materjali proovid.Hiljem, 20. sajandi keskel, koges süsinikkiud renessansi – ja sellest ajast alates on selle kasutamine pidevalt kasvanud.

Süsinikkiu kõige olulisem omadus on selle erakordne kuumakindlus. Isegi kui ainet kuumutatakse 1600–2000 kraadini, siis hapniku puudumisel keskkonnas selle parameetrid ei muutu. Selle materjali tihedus võib koos tavalisega olla ka lineaarne (mõõdetuna nn teksides). Lineaartihedusega 600 tex on kanga 1 km mass 600 g. Paljudel juhtudel on materjali elastsusmoodul või, nagu öeldakse, Youngi moodul, paljudel juhtudel kriitiline.

Kõrge tugevusega kiu puhul on see indikaator vahemikus 200–250 GPa. PAN-ist valmistatud kõrge mooduliga süsinikkiu elastsusmoodul on ligikaudu 400 GPa. Vedelkristalllahuste puhul võib see parameeter varieeruda vahemikus 400 kuni 700 GPa. Elastsusmoodul arvutatakse selle väärtuse hindamise põhjal üksikute grafiidikristallide venitamisel. Aatomitasandite orientatsioon määratakse röntgendifraktsioonianalüüsi abil.

Vaikimisi pindpinevus on 0,86 N/m. Materjali töötlemisel metall-komposiitkiu saamiseks tõuseb see indikaator väärtuseni 1,0 N/m. Mõõtmine kapillaartõusu meetodil aitab määrata sobiva parameetri. Nafta pigil põhinevate kiudude sulamistemperatuur on 200 kraadi. Keerutamine toimub umbes 250 kraadi juures; muud tüüpi kiudude sulamistemperatuur sõltub otseselt nende koostisest.

Süsinikvõrkude maksimaalne laius sõltub tehnoloogilistest nõuetest ja nüanssidest. Paljude tootjate puhul on see 100 või 125 cm. Aksiaalse tugevuse osas on see võrdne:

• PAN-il põhinevate ülitugevate toodete puhul 3000–3500 MPa;
• olulise pikenemisega kiudude puhul rangelt 4500 MPa;
• kõrge mooduliga materjalile 2000 kuni 4500 MPa.

Kristalli stabiilsuse teoreetilised arvutused tõmbejõu mõjul võre aatomtasandi suunas annavad hinnanguliseks väärtuseks 180 GPa. Eeldatav praktiline piirmäär on 100 GPa. Kuid katsed ei ole veel kinnitanud üle 20 GPa taseme olemasolu. Süsinikkiu tegelikku tugevust piiravad selle mehaanilised vead ja tootmisprotsessi nüansid. Praktilistes uuringutes kindlaks tehtud 1/10 mm pikkuse sektsiooni tõmbetugevus jääb vahemikku 9–10 GPa.

T30 süsinikkiud väärib erilist tähelepanu. Seda materjali kasutatakse peamiselt varraste valmistamisel. See lahendus on kerge ja suurepärase tasakaaluga. Indeks T30 tähistab elastsusmoodulit 30 tonni.

Süsinikkiudu saab saada mitmesugustest polümeeritüüpidest. Töötlemisrežiim määratleb selliste materjalide kaks peamist sorti - karboniseeritud ja grafitiseeritud tüübid. PANist ja erinevat tüüpi pigist saadud kiu vahel on oluline erinevus. Kvaliteetsetel süsinikkiududel, nii kõrge tugevusega kui ka suure mooduliga kategooriatel, võib olla erinev kõvadus ja elastsusmoodul. Neid on tavaks omistada erinevatele kaubamärkidele.

Kiud on valmistatud niidi või kimbu kujul.Need on moodustatud 1000 kuni 10 000 pidevast elementaarkiust. Nendest kiududest saab välja töötada ka kangaid, nagu kimbud (sel juhul on elementaarkiude arv veelgi suurem). Tooraineks ei ole mitte ainult liht-, vaid ka vedelkristallide pigikiud, aga ka polüakrüülnitriil. Tootmisprotsess hõlmab esmalt originaalkiudude valmistamist ja seejärel kuumutatakse neid õhu käes temperatuuril 200–300 kraadi.

PAN-i puhul nimetatakse seda protsessi eeltöötluseks või tule aeglustamiseks. Peck saab pärast sellist protseduuri sellise olulise omaduse nagu sulamatus. Osaliselt kiud on oksüdeerunud. Edasise kuumutamise režiim määrab, kas nad kuuluvad karboniseeritud või grafitiseeritud rühma. Töö lõpetamine eeldab pinnale vajalike omaduste andmist, mille järel see riietatakse või riietatakse.

Oksüdeerumine õhuatmosfääris suurendab tulekindlust mitte ainult oksüdatsiooni tulemusena. Sellele aitavad kaasa mitte ainult osaline dehüdrogeenimine, vaid ka molekulidevaheline ristsidumine ja muud protsessid. Lisaks väheneb materjali tundlikkus süsinikuaatomite sulamise ja lendumise suhtes. Karboniseerimisega (kõrgtemperatuurilises faasis) kaasneb gaasistamine ja kõigi võõraatomite eemaldamine.

Nende järgnev karboniseerimine viiakse läbi lämmastiku keskkonnas temperatuuril 1000–1500 kraadi. Paljude tehnoloogide sõnul on optimaalne küttetase 1200–1400 kraadi. Kõrge mooduliga kiudu tuleb kuumutada umbes 2500 kraadini. Esialgsel etapil saab PAN redeli mikrostruktuuri.Selle esinemise eest "vastutab" molekulisisene kondensatsioon, millega kaasneb polütsüklilise aromaatse aine ilmumine.

Mida rohkem temperatuur tõuseb, seda suurem on tsüklilise tüüpi struktuur. Pärast tehnoloogiajärgse kuumtöötluse lõppu on molekulide või aromaatsete fragmentide paigutus selline, et peateljed on paralleelsed kiu teljega. Pinge hoiab ära orientatsiooni languse. PAN-i lagunemise tunnused kuumtöötlemisel määratakse poogitud monomeeride kontsentratsiooniga. Iga selliste kiudude tüüp määrab esialgsed töötlemistingimused.

Vedelkristalli naftapigi tuleb pikka aega hoida temperatuuril 350–400 kraadi. Selline režiim viib polütsükliliste molekulide kondenseerumiseni. Nende mass suureneb ja kleepumine toimub järk-järgult (koos sferuliitide moodustumisega). Kui kuumutamist ei peatata, kasvavad sferuliitid, suureneb molekulmass ja selle tulemusena moodustub lahutamatu vedelkristallfaas. Kristallid lahustuvad aeg-ajalt kinoliinis, kuid tavaliselt ei lahustu nad nii selles kui ka püridiinis (see oleneb tehnoloogia nüanssidest).

Vedelkristallide pigist saadud kiud, milles on 55–65% vedelkristalle, voolavad plastiliselt. Keerutamine toimub 350-400 kraadi juures. Kõrgelt orienteeritud struktuur moodustub esialgsel kuumutamisel õhuatmosfääris temperatuuril 200–350 kraadi ja sellele järgneval kokkupuutel inertse atmosfääriga. Thornel P-55 kiude tuleb kuumutada kuni 2000 kraadini, mida suurem on elastsusmoodul, seda kõrgem peaks olema temperatuur.

Viimasel ajal on teadus- ja inseneritöös järjest rohkem tähelepanu pööratud hüdrogeenimistehnoloogiale.Kiudude esialgne tootmine toimub sageli kivisöetõrva pigi ja naftaleenvaigu segu hüdrogeenimise teel. Sel juhul peab olema tetrahüdrokinoliin. Töötlemistemperatuur on 380-500 kraadi. Tahkeid lisandeid saab eemaldada filtreerimise ja tsentrifuugimisega; pärast seda pigi pakseneb kõrgendatud temperatuuril. Süsiniku tootmiseks tuleb kasutada (olenevalt tehnoloogiast) üsna erinevaid seadmeid:

• vaakumit jaotavad kihid;
• pumbad;
• tihendusrakmed;
• lauaarvutid;
• püünised;
• juhtivad võrgud;
• vaakumkiled;
• prepregid;
• autoklaavid.

Juhtivad süsinikkiu tootjad maailmaturul on:

• Thornel, Fortafil ja Celion (Ameerika Ühendriigid);
• "Graphil" ja "Modmore" (Inglismaa);
• "Kureha-Lon" ja "Toreika" (Jaapan);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Praegu toodetakse Venemaal süsinikku:

• Tšeljabinski süsiniku- ja komposiitmaterjalide tehas;
• "Balakovo süsiniku tootmine";
• NPK "Khimpromenineering";
• Saratovi ettevõte "SNV".

Süsinikkiudu kasutatakse komposiittugevduse valmistamiseks. Levinud on ka selle kasutamine, et saada:

• kahesuunalised kangad;
• Disainerkangad;
• biaksiaalne ja kvadraksiaalne kude;
• lausriie;
• ühesuunaline lint;
• prepregid;
• väline tugevdus;
• kiud;
• rakmed.

Üsna tõsine uuendus on praegu infrapuna soe põrand Sel juhul kasutatakse materjali traditsioonilise metalltraadi asendajana. See suudab toota 3 korda rohkem soojust, lisaks väheneb energiatarve umbes 50%.Kompleksse tehnoloogia modelleerimise fännid kasutavad sageli mähise teel saadud süsiniktorusid. Neid tooteid nõuavad ka autode ja muude seadmete tootjad. Süsinikkiudu kasutatakse sageli näiteks käsipiduri jaoks. Selle materjali põhjal saate ka:

• lennukimudelite osad;
• terved kapuutsid;
• jalgrattad;
• osad autode ja mootorrataste tuunimiseks.

Süsinikkiudpaneelid on 18% jäigemad kui alumiinium ja 14% suuremad kui konstruktsiooniteras. Sellel materjalil põhinevaid varrukaid on vaja muutuva ristlõikega torude, erineva profiiliga spiraalsete toodete saamiseks. Neid kasutatakse ka klubide valmistamiseks ja remondiks. Samuti tasub mainida selle kasutamist nutitelefonide ja muude vidinate eriti vastupidavate ümbriste valmistamisel. Sellistel toodetel on tavaliselt esmaklassiline iseloom ja paremad dekoratiivsed omadused.

Dispergeeritud grafiidi tüüpi pulbri puhul on vaja:

• elektrit juhtivate katete saamisel;
• erinevat tüüpi liimi vabastamisel;
• vormide ja mõnede muude detailide tugevdamisel.

Süsinikkiust kitt on mitmel viisil parem kui traditsiooniline kitt. Sellist kombinatsiooni hindavad paljud eksperdid plastilisuse, mehaanilise tugevuse poolest. Koostis sobib sügavate defektide katmiseks. Süsinikvardad ehk vardad on tugevad, kerged ja kauakestvad. Sellist materjali on vaja:

• lennundus;
• raketitööstus;
• spordivarustuse tootmine.

Karboksüülhapete soolade pürolüüsi teel võib saada ketoone ja aldehüüde. Süsinikkiu suurepärased termilised omadused võimaldavad seda kasutada küttekehades ja elektrilistes küttepatjades. Need kütteseadmed:

• ökonoomne;
• usaldusväärne;
• erinevad muljetavaldava tõhususe poolest;
• mitte levitada ohtlikku kiirgust;
• suhteliselt kompaktne;
• täiuslikult automatiseeritud;
• töötab ilma probleemideta;
• ära levita kõrvalist müra.

Süsinik-süsinik komposiite kasutatakse järgmiste toodete valmistamisel:

• tähistab tiigleid;
• vaakumsulatusahjude koonilised osad;
• nende jaoks torukujulised osad.

Täiendavad rakendusvaldkonnad hõlmavad järgmist:

• omatehtud noad;
• kasutamine mootorite pillirooklapi jaoks;
• kasutamine ehituses.

Kaasaegsed ehitajad on seda materjali pikka aega kasutanud mitte ainult väliseks tugevdamiseks. Seda on vaja ka kivimajade ja basseinide tugevdamiseks. Tugevduskihi kleepimine taastab sildade tugede ja talade kvaliteedi. Seda kasutatakse ka septikute loomiseks ja looduslike kunstlike reservuaaride raamimiseks kessoni ja siloauguga töötamisel.

Järgmisest videost leiate rohkem teavet süsinikkiu tootmise kohta.