Высокопрочное углеродное волокно

Высокопрочное углеродное волокно являются незаменимым высокопроизводительным материалом в современной промышленности и представляют собой кульминационный результат в стремлении человечества к «легким, высокопрочным и жестким» материалам.  Он не существует в природе, а преобразует органические волокна в новые волокнистые материалы, в которых в качестве основного компонента выступает углерод, с определенной микроструктурой.

Производственный процесс и основные характеристики

Углеродное волокно высокой прочности обычно используют высококачественный полиакрилонитрил (PAN) в качестве прекурсора, после ряда строгих процессов подготовки: во-первых, предварительно окисление, чтобы стабилизировать волокна в воздухе 200-300℃; во-вторых, карбонизация, при высокой температуре 1000-2000℃ под защитой инертного газа изгоняет неуглеродные атомы, образуя беспорядочную структуру углеродного волокна; и, наконец, по требованию, может быть проведена обработка поверхности для подачи целлюлозы для улучшения его связывания с матрицей смолы.

В отличие от высокоэффективных моделей углеродного волокна, которые стремятся к очень высокому модулю упругости, основная особенность высокопрочных углеродных волокон заключается в их высокой прочности на растяжение.  Это означает, что он может выдерживать огромные растяжения без разрыва.  Его микроскопическая структура состоит из беспорядочных слоев графитовых пластин, которые эффективно блокируют расширение микротрещин, что является ключом к его высокой прочности.  В то же время он обладает общими преимуществами семейства углеродного волокна: очень высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности) и удельный модуль, превосходная усталостойкость (высокая устойчивость к циклическим нагрузкам), хорошая коррозионная стойкость и коэффициент низкотемпературного расширения.

Основные характеристики и области применения

Благодаря своим превосходным характеристикам высокопрочные углеродные волокна используются в тех областях, где требуется потеря веса и вес:

1.Аэрокосмическая отрасль: это первая и самая важная область применения.  От крупных пассажирских самолетов (например, самолетов Boeing 787 и Airbus A350, крылья которых в значительной степени изготовлены из углеродного волокна) до военных истребителей, спутников и космических аппаратов использование высокопрочных углеродных волокон может значительно снизить вес конструкций, что, в свою очередь, повышает топливную эффективность, увеличивает дальность полета или полезную нагрузку.

2.Высококачественное спортивное оборудование: в спорте на высоком уровне производительность оборудования имеет решающее значение.  Высокопрочное углеродное волокно широко используется для изготовления кузовов автомобилей Формулы-1, высококачественных велосипедных рамов, теннисных ракет-ракеток, клюшек для гольфа и шестниц.  Его высокая относительная прочность делает оборудование легче и сильнее, обеспечивая при этом превосходный динамический отклик.

3.Промышленность и новые источники энергии: в промышленном секторе он используется для механических рук, промышленных роботов и т. д. компонентов, требующих высокой скорости, высокой точности и низкой инерции.  С точки зрения новых источников энергии, он является ключевым материалом для изготовления длинных лопастей ветряных генераторов, гарантируя, что лопатки обладают достаточной прочностью и жесткостью для того, чтобы выдерживать огромную ветровую нагрузку в условиях легкого веса.

Проблемы и перспективы

Несмотря на высокую производительность, Углеволокно высокопрочное остаются дорогостоящими, в основном из-за сложного производственного процесса и высокого энергопотребления.  В то же время, его композитные материалы подвержены внутреннему повреждению при ударе, и их трудно обнаружить и восстановить.  В будущем направление исследований и разработок будет сосредоточено на дальнейшем снижении затрат, повышении производительности за счет новых прототипов технологий и оптимизации процессов, а также на расширении их применения в более широких областях, таких как легкость автомобилей и укрепление гражданского строительства.

В целом, высокопрочные углеродные волокна, будучи королем в области новых материалов, продолжают стимулировать инновации и развитие передовых технологий оборудования, является одним из важных показателей для оценки высокого уровня производства в стране.