углеродная ткань В современных условиях постоянно меняющейся науки и техники материаловедение, являясь важной силой, способствующей промышленному прогрессу, продолжает создавать замечательные инновации. Среди них углеродное волокно, обладающее уникальными свойствами и перспективами применения, ст...
В современных условиях постоянно меняющейся науки и техники материаловедение, являясь важной силой, способствующей промышленному прогрессу, продолжает создавать замечательные инновации. Среди них углеродное волокно, обладающее уникальными свойствами и перспективами применения, стало любимцем многих высокотехнологичных областей и известно как «черное золото». В этой статье мы рассмотрим природу углеродного волокна, историю его развития, процесс производства и его применение в различных областях.углеродная ткань
Природа углеродного волокна
Углеродное волокно – это высокопрочное и высокомодульное волокно, содержащее более 90 % углерода. Оно состоит в основном из углерода и обладает такими превосходными свойствами, как термостойкость, сопротивление трению, теплопроводность и коррозионная стойкость. Внешне углеродное волокно волокнистое, мягкое и может быть переработано в различные ткани. Благодаря микрокристаллической структуре графита, которая предпочтительно ориентирована вдоль оси волокна, углеродные волокна имеют чрезвычайно высокую прочность и модуль упругости вдоль оси волокна. Кроме того, низкая плотность углеродных волокон делает их удельную прочность и удельный модуль лидирующими среди существующих инженерных материалов. Имея диаметр всего 5 микрон, материал размером в одну десятую – одну двенадцатую от размера пряди волос, он тем не менее более чем в четыре раза прочнее алюминиевых сплавов.
История
Историю углеродного волокна можно проследить до конца XIX века. В 1879 году Эдисон попытался использовать бамбук, лен или хлопковую пряжу и другие целлюлозные волокна в качестве сырья для производства углеродного волокна и запатентовал его, но механические свойства полученных в то время волокон были очень низкими, и достичь промышленного уровня не удалось. Настоящим толчком к индустриализации углеродного волокна стало начало 1950-х годов, когда с развитием ракет, космической и авиационной техники и других передовых технологий спрос на высокопроизводительные материалы становился все более актуальным. На базе ВВС Райт-Паттерсон в США из вискозного волокна в качестве сырья было налажено успешное пробное производство углеродного волокна, которое применялось для изготовления сопла ракеты и носового конуса в качестве абляционного материала, что дало замечательный эффект. С тех пор промышленное производство углеродного волокна постепенно превратилось в важный стратегический материал.
Производственный процесс
В промышленном производстве современного углеродного волокна в основном используется метод карбонизации волокна-предшественника. В качестве сырья в основном используются полиакрилонитрильные волокна, волокна смолы и вискозные волокна. Эти сырьевые материалы стабилизируются (химическая обработка при 200-400°C), карбонизируются (в среде азота при 400-1400°C) и графитизируются (в атмосфере аргона при 1800°C или выше), и, наконец, превращаются в углеродное волокно. Для улучшения свойств сцепления между углеродными волокнами и композитными матрицами также необходимы процессы обработки поверхности, определения размеров и сушки. Кроме того, важным методом получения углеродных волокон является метод газофазного роста, при котором прерывистые короткостриженые углеродные волокна могут быть получены путем реакции смеси метана и водорода при высоких температурах в присутствии катализатора.
Области применения
Благодаря своим превосходным свойствам углеродные волокна находят широкое применение в различных областях. В аэрокосмической отрасли композиты из углеродного волокна широко применяются при изготовлении фюзеляжей, крыльев и других компонентов самолетов благодаря их малому весу, высокой прочности, коррозионной стойкости и другим характеристикам, эффективно повышающим топливную эффективность и грузоподъемность самолетов. В области ветроэнергетики облегченная конструкция лопастей из углеродного волокна позволяет повысить эффективность выработки энергии ветряными турбинами и снизить их стоимость. Кроме того, углеродное волокно широко используется в производстве товаров для спорта и отдыха (например, клюшек, удочек, теннисных ракеток и т.д.), автомобилестроении, сосудов под давлением, армировании зданий и других областях. С постоянным развитием технологий и снижением стоимости сфера применения углеродного волокна будет расширяться.
Перспективы развития рынка
В последние годы спрос на мировом рынке углеродного волокна продолжает расти, и ожидается, что в ближайшие несколько лет темпы его роста будут исчисляться двузначным числом в год. Особенно в аэрокосмической, автомобильной, ветроэнергетической и других отраслях промышленности спрос на углеродное волокно будет продолжать расти. В то же время, благодаря постоянному прорыву в технологии подготовки углеродного волокна и снижению затрат, его применение станет возможным во многих областях. Кроме того, восстановление и переработка углеродного волокна, разработка углеродного волокна на биооснове и других экологических технологий также окажут мощную поддержку устойчивому развитию промышленности углеродного волокна.
Таким образом, углеродное волокно, как высокоэффективный материал, играет все более важную роль в эпоху высоких технологий. Благодаря постоянному прогрессу технологий и непрерывному расширению областей применения, углеродное волокно, безусловно, будет иметь более широкие перспективы в будущем развитии.