1. Süsinikkiust materjali tootmisprotsess
Süsinikkiu tootmisprotsess on keeruline ja kulukas. Järgmine on PAN-põhine süsinikkiu tootmisprotsess:
1. Polümerisatsioon ja ketramine
- Prekursori valmistamine algab akrüülnitriilmonomeeriga, mis kombineeritakse reaktoris plastifitseeritud akrüülkomonomeeride ja katalüsaatoritega (nagu itakoonhape, väävelhappedioksiid, väävelhape või metakrüülhape). Koostisaineid segatakse pidevalt, et tagada viskoossus ja puhtus ning algatada akrüülnitriili molekulaarstruktuuris vabade radikaalide moodustumine, tekitades pika ahelaga polümeere, mis võivad moodustada akrüülkiude.
- PAN-kiud moodustatakse märgketramise või kuivjoaga/märgketramise teel (segaprotsess). Märgketramine seisneb kontsentreeritud lahuse sukeldamises vedelasse koagulatsioonivanni ja selle ekstrudeerimiseks läbi väärismetallidest valmistatud ketruse aukude (ketrusavad vastavad vajalikule arvule PAN-kiudude filamentidele). Märgketratud kiud tõmmatakse vesipesuga, et eemaldada liigne koagulant, seejärel kuivatatakse ja venitatakse, et jätkata PAN-polümeeri orientatsiooni parandamist; kuivjoaga/märgketramisel on kiu ja koagulatsioonivanni vahel õhusegment, mille tulemuseks on siledad ümarad PAN-kiud.
- PAN-i prekursorkiu protsessi viimane etapp on õlitamine, mis takistab puksiiri kokkukleepumist enne kerimist.
2. Oksüdeerimine (stabiliseerimine)
- Eeloksüdatsioon on pikim protsess süsinikkiudude valmistamise protsessis ja oksüdeerimisahju temperatuur on vahemikus 392 kraadi F kuni 572 kraadi F (200 kraadi kuni 300 kraadi).
- See protsess ühendab õhust pärinevad hapnikumolekulid PAN-kiuga ja hakkab ristsiduma polümeeriahelaid, mis suurendab kiu tihedust 1,18 g/cc kuni 1,38 g/cc.
- PAN-kiudude kontrollimatu eksotermilisuse vältimiseks (oksüdatsiooni käigus vabanev eksotermiline koguenergia on hinnanguliselt 2,000kJ/kg, mis kujutab endast tuleohtu), kasutavad eeloksüdatsiooniahjude tootjad mitmesuguseid õhuvoolu konstruktsioone. aitab soojust hajutada ja temperatuuri reguleerida. Oksüdatsiooniaeg varieerub sõltuvalt lähtekiu keemilisest reaktsioonist, tavaliselt 60–120 minutit ja iga tootmisliin vajab 4–6 ahju, mida saab virnastada kahe kuumutustsooni saamiseks. Oksüdeeritud PAN-kiud sisaldavad umbes 50% - 65% süsiniku molekule ja ülejäänud on vesiniku, lämmastiku ja hapniku segu.
3. Karboniseerimine (kõrge mooduliga süsinikkiudude valmistamiseks on vajalik grafitiseerimisprotsess)
- Karboniseerimisreaktsioon viiakse läbi spetsiaalselt konstrueeritud karboniseerimisahjus ja see nõuab inertse (hapnikuvaba) atmosfääri kaitset.
- Hapniku puudumisel eemaldatakse ainult mittesüsinikmolekulid, sealhulgas vesiniktsüaniid ja muud lenduvad orgaanilised ühendid (tekivad stabiliseerimisel kontsentratsioonis 40 - 80ppm) ja tahked osakesed, mis juhitakse kõrge temperatuuriga ahjust välja ning seejärel eemaldatakse töödeldud keskkonnasõbralikus põletusahjus.
- Karboniseerimisprotsessi ajal tuleb rakendada teatud venituspinget, et optimeerida süsiniku molekulide kristalliseerumist, et toota süsinikkiude süsinikusisaldusega üle 90%. Erinevus süsinikkiu ja kõrge mooduliga süsinikkiu (tuntud ka kui "grafiitkiud") vahel seisneb selles, et esimene on kiud, mis on karboniseeritud temperatuuril umbes 1315 °F/2400 °F süsinikusisaldusega 93% - 95%, samas kui viimane on grafitiseeritud 1900 - 2480 kraadi juures (3450 - 4500 kraadi F) ja selle süsinikusisaldus on üle 99%. Kõrge mooduliga ja ülikõrge mooduliga süsinikkiudude suhteliselt kõrge hind on osaliselt tingitud viibimisaja pikkusest ja temperatuurist, mis tuleb kõrge temperatuuriga ahjus saavutada.
4. Pinnatöötlus ja suuruse määramine
- Maatriksvaigu ja süsinikkiu vaheline nakkumine on komposiitmaterjali tugevdamiseks hädavajalik ning süsinikkiu valmistamise protsessis on pinnatöötluse eesmärk seda haardumist suurendada.
2. Süsinikkiust mõla vormimise protsess
1. Vormimismeetod
- Protsessi voog: materjali ettevalmistamine → virnastamine → vormi sisestamine → kuumpressimine → jahutamine, vormimine → töötlemine ja vormimine → hilisem lihvimine ja poleerimine, pihustamine ja lihvimine jne. Enne vormi sisenemist puhastage vormi, eelkuumutage ja rakendage vormivabastusainet. tuleb ka teostada.
- Konkreetsed sammud
- Puhastage vorm: puhastage viimasest kasutamisest tekkinud vaigu ja prahi vormis ning hoidke vorm puhas ja sile.
- Eelsoojendage vorm: kuumtöötlege vormi.
- Kandke peale eraldusainet: kandke teatud kogus eraldusainet vormi soonde, et vältida vormitud toote ja vormi kokkukleepumist pärast eelsoojendust.
- Valmistage ette materjalid: valmistage süsinikkiust tooraine ette toodete valmistamiseks, arvutage materjali pindala ja tooraine lehtede arv.
- Materjalide virnastamine: virna toormaterjalid kiht-kihi haaval ja eelnevalt suruge virnastatud materjalid, et moodustada korrapärase kuju ja kindla kvaliteediga tihe keha.
- Sisestage vormi: asetage virnastatud toorained vormi ja asetage sisse plastikust turvapadi, sulgege vorm, pange kogu vormi sulgemismasinasse, rakendage sisemisele plastikust turvapadjale konstantne rõhk ja temperatuur, seadke konstantne aeg seda tahkuda.
- Jahutamine ja vormist lahti võtmine: jahutage vorm, mis on mõnda aega kuumpressitud, seejärel avage vorm ja eemaldage see.
- Töötlemine ja vormimine: Toode tuleb pärast vormist lahtivõtmist puhastada ja jääkplast terasharja või vaskharjaga maha kraapida ning seejärel suruõhuga puhtaks puhuda. Vormitud toode tuleb poleerida, et pind oleks sile ja korras.
- Omadused: sobib masstootmiseks, stabiilne kvaliteet, kuid kõrge tootmiskulu ja suured investeeringud.
2. Käsitsi ladumise lamineerimismeetod
- Tööprotsess: lõigake liimiga immutatud süsinikkiust lehed ja asetage need virna või pintseldage vaiku kihi ühel küljel ja seejärel kuumpressige.
- Omadused: kiu suunda, suurust ja paksust saab valida soovi korral. Meetod on lihtne ja odav. Seda saab lõpetada ilma suure masinata. Toote hind on madal, kuid kvaliteet pole suhteliselt hea kui vormimisprotsessiga tootel.
3. Mähise vormimise meetod
- Kasutusala: Süsinikkiust monofilamentide kerimine süsinikkiust võllidele sobib eriti hästi silindrite ja õõnesanumate valmistamiseks, peamiselt süsinikkiust torude tootmiseks.
4. Ekstrusiooni- ja joonistusvormimismeetod
- Tööprotsess: esmalt imbuge täielikult süsinikkiust, eemaldage vaik ja õhk ekstrusiooni ja tõmbamise teel ning seejärel kuivatage ja vormige see ahjus.
- Omadused: Lihtne, sobib vardakujuliste ja torukujuliste osade valmistamiseks.
