Углеродное волокно — это высокопроизводительный волокнистый материал. Процесс его приготовления в основном включает следующие этапы:
1.Выбор сырья
Основным сырьем для производства углеродного волокна является полиакрилонитрил, который представляет собой синтетическое волокно.
Некоторые другие сырьевые материалы, такие как каменноугольный пек, натуральные волокна, также могут быть использованы для получения углеродных волокон.
2. Спиннинг
Прекурсор смешивают с другими материалами, а затем прядут в волокна.
Затем волокна промывают и растягивают.
3. Стабилизация
Углеродное волокно должно быть химически изменено перед карбонизацией, чтобы сделать его более термически стабильным за счет замены линейных атомных связей на лестничные. Нагрейте волокно на воздухе до 200-300 градусов в течение примерно от 30 минут до 2 часов. Этот процесс нагрева заставляет атомы углерода поглощать атомы кислорода из воздуха и перестраивает молекулы в более термически стабильные структуры связей.
Этот экзотермический процесс необходимо тщательно контролировать, чтобы предотвратить перегрев волокна. Существует несколько методов стабилизации углеродного волокна.
4.Карбонизация
После термостабилизации волокна его нагревают до 1,000-3,000 градуса в отсутствие кислорода в течение нескольких минут.
Отсутствие кислорода не позволяет волокнам гореть при такой высокой температуре. Во время этого процесса важно поддерживать давление воздуха внутри печи выше, чем давление воздуха снаружи печи, а также держать входное и выходное отверстия волокна герметичными, чтобы предотвратить попадание кислорода в печь.
При такой высокой температуре волокно вытесняет неуглеродные атомы, а оставшиеся атомы углерода образуют прочно связанные кристаллы углерода.
Эти кристаллы углерода ориентированы параллельно длинной оси углеродного волокна.
5.Обработка поверхности
Процесс карбонизации придает волокну гладкую поверхность, которая плохо сцепляется с эпоксидной смолой и другими материалами, используемыми для изготовления композитных изделий.
Поэтому поверхность слегка окисляется. Окисление придает поверхности лучшие химические связующие свойства, а также протравливает поверхность, позволяя химикатам лучше прилипать к поверхности.
Волокна иногда окисляются при погружении их в газы, такие как углекислый газ, воздух или озон, или в жидкости, такие как азотная кислота или гипохлорит натрия. В других случаях окисление достигается посредством электролиза путем погружения положительно заряженных волокон в ванну с проводящим материалом.
Независимо от используемого метода подготовки поверхности, крайне важно, чтобы она выполнялась под тщательным контролем специалистов, чтобы предотвратить появление дефектов поверхности, которые могут привести к разрушению материала.
6. Калибровка
После окисления волокна оборачиваются, чтобы предотвратить повреждение при намотке на катушки или вплетении в ткань.
Процесс нанесения покрытия называется проклейкой, и проклеивающий материал тщательно выбирается так, чтобы он был совместим с клеем, используемым для формирования композитной структуры.
Материалы покрытия могут включать полиэстер, нейлон, уретан или эпоксидную смолу.
Следует отметить, что процесс подготовки углеродного волокна относительно сложен и требует строгого контроля процесса и условий оборудования, чтобы гарантировать хорошие характеристики и качество углеродного волокна.
