कार्बन फाइबर परिभाषा और रचना
कार्बन सामग्री और बुनियादी गुण कार्बन फाइबर (सीएफ) एक नए प्रकार की फाइबर सामग्री है जिसमें उच्च शक्ति और उच्च मापांक फाइबर होते हैं जिसमें 95% से अधिक कार्बन होते हैं। यह एक माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट सामग्री है जो कार्बनकरण और ग्राफिटाइजेशन के बाद, फाइबर की अक्षीय दिशा के साथ फ्लेक ग्रेफाइट माइक्रोक्रिस्टल जैसे कार्बनिक फाइबर को स्टैकिंग करके प्राप्त की जाती है। कार्बन फाइबर का द्रव्यमान धातु एल्यूमीनियम की तुलना में हल्का होता है, लेकिन ताकत स्टील की तुलना में अधिक होती है, और इसमें संक्षारण प्रतिरोध, उच्च मापांक, कम घनत्व, कोई रेंगना, अच्छा विद्युत और थर्मल चालकता, गैर-उच्च तापमान के लिए प्रतिरोध की विशेषताएं हैं, जो गैर-उच्च तापमान के लिए प्रतिरोध है। -ऑक्सिडाइजिंग वातावरण, और अच्छा थकान प्रतिरोध।
कार्बन फाइबर की कार्बन सामग्री एक महत्वपूर्ण संकेतक है जो इसे अन्य फाइबर सामग्रियों से अलग करती है। सामान्यतया, कार्बन फाइबर की कार्बन सामग्री 90%से अधिक है, जो उच्च शक्ति, उच्च मापांक, कम घनत्व और अन्य विशेषताओं के साथ भौतिक गुणों में कार्बन फाइबर बनाती है। कार्बन फाइबर का घनत्व लगभग 1.5 से 2.0 ग्राम प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर है, जो मुख्य रूप से कार्बनकरण उपचार के तापमान से निर्धारित होता है। उच्च तापमान के बाद 3000 of ग्राफिटाइजेशन उपचार, 2.0 ग्राम प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर तक का घनत्व।
माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना और सामग्री संरचना
कार्बन फाइबर की माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना इसके अद्वितीय गुणों की कुंजी है। कार्बन फाइबर मुख्य रूप से कार्बन से बना होता है, इसके आकार में महत्वपूर्ण अनिसोट्रॉपी होता है, नरम, विभिन्न प्रकार के कपड़ों में संसाधित किया जा सकता है, साथ ही फाइबर अक्ष की दिशा में उच्च शक्ति दिखाई देती है। कार्बन फाइबर की माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना कृत्रिम ग्रेफाइट के समान है, जो एक अराजक ग्रेफाइट संरचना है। कार्बन फाइबर की परतों के बीच की रिक्ति लगभग 3.39 से 3.42 Å है। समानांतर परतों के बीच कार्बन परमाणुओं की व्यवस्था ग्रेफाइट की तरह साफ नहीं है, और परतें वैन डेर वाल्स बलों द्वारा एक साथ जुड़ी हुई हैं।
कार्बन फाइबर की संरचना को आमतौर पर दो-आयामी ऑर्डर किए गए क्रिस्टल और छिद्रों से मिलकर देखा जाता है, जिसमें छिद्रों की सामग्री, आकार और वितरण का कार्बन फाइबर के प्रदर्शन पर अधिक प्रभाव पड़ता है। जब पोरसिटी एक निश्चित महत्वपूर्ण मूल्य से नीचे होती है, तो पोरसिटी का इंटरलामिनार कतरनी ताकत, झुकने की शक्ति और कार्बन फाइबर कंपोजिट की तन्यता ताकत पर कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं होता है। कुछ अध्ययनों ने बताया है कि महत्वपूर्ण पोरसिटी जो सामग्री के यांत्रिक गुणों में कमी का कारण बनती है, 1%-4%है।
कार्बन फाइबर की माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना में, ग्रेफाइट माइक्रोक्रिस्टल आकार और प्लाई रिक्ति दो महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। उच्च-मोडुलस कार्बन फाइबर में एक स्थानीय रूप से ऑर्डर किए गए तीन-आयामी ग्रेफाइट क्रिस्टल संरचना होती है, जिसमें कम ग्रेफाइट लामेला दोष, तंग स्टैकिंग और उच्च कार्बन सामग्री होती है। उच्च शक्ति वाले कार्बन फाइबर से उच्च-मोडुलस कार्बन फाइबर की तैयारी के दौरान, ताकत का नुकसान स्पष्ट है क्योंकि कार्बन फाइबर का मापांक बढ़ता है, जो माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना के विकास से निकटता से संबंधित है। कार्बन फाइबर के माइक्रोक्रिस्टलाइन और छिद्र संरचनाओं का गठन और विकास संयुक्त रूप से कार्बन फाइबर के गुणों को प्रभावित करता है।
कार्बन फाइबर वर्गीकरण
कच्चे माल सिस्टमकार्बन फाइबर द्वारा कार्बन फाइबर का वर्गीकरण मुख्य रूप से कच्चे माल प्रणाली के अनुसार तीन प्रमुख श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है: पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन)-आधारित कार्बन फाइबर, डामर-आधारित कार्बन फाइबर, और विस्कोस-आधारित कार्बन फाइबर, जिनमें से प्रत्येक में इसकी है कच्चे माल और तैयारी प्रक्रिया का खुद का अनूठा स्रोत।
पैन-आधारित कार्बन फाइबर: वर्तमान बाजार में मुख्यधारा का उत्पाद है, कार्बन फाइबर के कुल वैश्विक उत्पादन के 90% से अधिक के लिए लेखांकन। पान-आधारित कार्बन फाइबर उच्च प्रदर्शन कार्बन के उत्पादन के लिए सबसे आशाजनक अग्रदूत बन गए हैं इसकी सरल उत्पादन प्रक्रिया, कम लागत, उच्च कार्बनकरण अवशोषण दर, उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों और अन्य विशेषताओं के कारण फाइबर। इसका मुख्य कच्चा माल ऐक्रेलोनिट्राइल है, और पैन प्रोटोफिलामेंट को पोलीमराइजेशन और कताई प्रक्रिया के माध्यम से तैयार किया जाता है, और फिर प्री-ऑक्सीकरण, कार्बनकरण और ग्राफिटाइजेशन की प्रक्रिया के माध्यम से कार्बन फाइबर में बनाया जाता है।
डामर-आधारित कार्बन फाइबर: कच्चे माल के रूप में डामर, मॉड्यूलेशन, कताई, गैर-पिघलने वाले उपचार, कार्बनकरण या ग्राफिटाइजेशन उपचार और बनाने के लिए अन्य चरणों के बाद। डामर-आधारित कार्बन फाइबर में एक उच्च कार्बन उपज होती है, लेकिन कच्चा माल मॉड्यूलेशन जटिल है, उत्पाद प्रदर्शन कम है, और वर्तमान पैमाने छोटा है। पिच-आधारित कार्बन फाइबर में मापांक, घर्षण और थर्मल चालकता में फायदे हैं, और इसलिए एयरोस्पेस में अनुप्रयोग हैं।
विस्कोस-आधारित कार्बन फाइबर: राग से कच्चे माल के रूप में बनाया गया, कम कार्बोज़ेशन उपज, तकनीकी कठिनाई, जटिल उपकरण और उच्च लागत की प्रक्रिया के माध्यम से। विस्कोस-आधारित कार्बन फाइबर मुख्य रूप से पृथक-प्रतिरोधी सामग्री और गर्मी-इंसुलेटिंग सामग्री के लिए उपयोग किया जाता है। क्योंकि इसका कच्चा माल एक प्राकृतिक उत्पाद है और इसमें धातु के आयन नहीं होते हैं, इसमें विशिष्ट क्षेत्रों में अपूरणीय लाभ होते हैं जैसे कि रणनीतिक हथियारों के लिए हीट-इंसुलेटिंग सामग्री, एंटी-स्टैटिक और एंटी-इलेक्ट्रोमैग्नेटिक वेव कपड़ों की सुरक्षा सामग्री।
प्रदर्शन द्वारा वर्गीकरण कार्बन फाइबर को प्रदर्शन द्वारा वर्गीकृत किया गया है, मुख्य रूप से इसकी तन्यता शक्ति और तन्यता मापांक पर आधारित है, जो दो यांत्रिक संपत्ति सूचकांक हैं, और उन्हें सामान्य-उद्देश्य, उच्च शक्ति (GQ), उच्च शक्ति वाले मध्यम-मॉडल में विभाजित किया जा सकता है ( Qz), उच्च-मॉडल (m) और इतने पर।
सामान्य-उद्देश्य कार्बन फाइबर: में बुनियादी यांत्रिक गुण हैं और सामान्य औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, जैसे कि खेल उपकरण, मोटर वाहन भागों, आदि।
उच्च शक्ति वाले कार्बन फाइबर: has सामान्य-उद्देश्य की तुलना में उच्च तन्यता ताकत, व्यापक रूप से एयरोस्पेस, सैन्य उपकरण, आदि में उपयोग किया जाता है, जिनमें से मॉडल T300, T700, T800, आदि सामान्य उच्च शक्ति वाले कार्बन फाइबर हैं।
उच्च शक्ति मध्यम मॉडल कार्बन फाइबर: उच्च शक्ति के अलावा, इसमें कुछ उच्च मापांक विशेषताएं भी हैं, जो उच्च शक्ति और कठोरता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।
उच्च-मॉडल कार्बन फाइबर: उच्च मापांक द्वारा विशेषता, जैसे कि M40, M60 और अन्य मॉडल, इसका उपयोग मुख्य रूप से उच्च कठोरता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है, जैसे कि उपग्रह संरचनात्मक घटक, विमान मुख्य असर घटकों, आदि।
विभिन्न गुणों के साथ कार्बन फाइबर को अलग -अलग अनुप्रयोगों में गुणों के लिए विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विभिन्न तैयारी प्रक्रियाओं और गर्मी उपचार की स्थिति के माध्यम से महसूस किया जाता है। प्रौद्योगिकी की प्रगति और आवेदन क्षेत्रों के विस्तार के साथ, कार्बन फाइबर के प्रदर्शन वर्गीकरण को भी परिष्कृत और सुधार किया जा रहा है।
कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रिया
कताई प्रक्रिया
कार्बन फाइबर विनिर्माण कताई प्रक्रिया के साथ शुरू होता है, एक कदम जिसमें अग्रदूत सामग्री जैसे कि कार्बनिक पॉलिमर जैसे कि पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) रासायनिक रूप से फाइबर रूप में परिवर्तित हो जाते हैं।
कताई प्रक्रिया को आमतौर पर गीले कताई, सूखी कताई और गीले/सूखे कताई के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।
वेट स्पिनिंग: वेट स्पिनिंग में, पॉलिमर समाधान को एक जमावट स्नान में स्पिनरनेट छेद के माध्यम से बाहर निकाल दिया जाता है, जहां जमावट विलायक प्रसार द्वारा प्राप्त किया जाता है। इस विधि में उत्पादन की गति कम है और यह एक जटिल प्रक्रिया है, लेकिन यह एक चिकनी और समान सतह के साथ फाइबर का उत्पादन कर सकता है। यह अध्ययन किया गया है कि गीले-स्पून कार्बन फाइबर की सतह में महत्वपूर्ण खांचे होते हैं, जो उनके बाद के समग्र गुणों को प्रभावित कर सकते हैं।
सूखी कताई: सूखी कताई में, बहुलक घोल को स्पिनरनेट से बाहर दबाया जाता है और सीधे कताई नहर में, नहर में गर्म हवा का प्रवाह विलायक को तेजी से वाष्पित करने का कारण बनता है, और इलाज के बाद विलायक के ठीक धारा में होता है। मूल तरल वाष्पीकरण। सूखी कताई निरंतर उत्पादन, तेजी से कताई गति, बड़े उत्पादन, कम पर्यावरणीय प्रदूषण, बेहतर फाइबर गुणवत्ता और रासायनिक प्रतिरोध और रंगाई गुणों में सक्षम है।
गीला और सूखा कताई: सूखी और गीले तरीकों की विशेषताओं को मिलाकर, कताई स्टॉक को स्पिनरनेट से बाहर दबाया जाता है और फिर जमावट स्नान में प्रवेश करने से पहले हवा की परत के एक खंड से गुजरता है। इस प्रक्रिया में उच्च उत्पादकता है, अच्छी गुणवत्ता वाले कार्बन फाइबर का उत्पादन करता है, और उत्पादन लागत कम है। 50 ~ 100 पीए - एस तक सूखी और गीली कताई समाधान चिपचिपाहट, कताई स्टॉक समाधान की एकाग्रता में सुधार कर सकता है, सॉल्वैंट्स और यूनिट की खपत की वसूली को कम कर सकता है।
स्थिरीकरण
स्टेबिलाइजेशन ट्रीटमेंट कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है, मुख्य उद्देश्य बाद की कार्बोज़ेशन प्रक्रिया की तैयारी में अग्रदूत फाइबर की थर्मल स्थिरता में सुधार करना है। इस चरण में, ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को बढ़ावा देने और एक ट्रेपोज़ॉइडल संरचना के गठन को बढ़ावा देने के लिए हवा में 200-300 डिग्री सेल्सियस तक अग्रदूत फाइबर को गर्म किया जाता है, इस प्रकार फाइबर की थर्मल स्थिरता में सुधार होता है।
ऑक्सीडेटिव स्थिरता: स्थिर फाइबर बेहतर ऑक्सीडेटिव स्थिरता का प्रदर्शन करते हैं, जो कठोर परिस्थितियों में उनके उपयोग की सुविधा प्रदान करता है। अध्ययनों से पता चला है कि स्थिर पैन-आधारित कार्बन फाइबर में साइकिलकरण की कम डिग्री, थर्मल अपघटन की तेज दर और कम अंतिम कार्बन उपज होती है।
हीट ट्रीटमेंट इफेक्ट: of स्टेबिलाइजेशन ट्रीटमेंट का समय और तापमान कार्बन फाइबर के गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। सामान्य तौर पर, स्थिरीकरण उपचार का समय घंटों में मापा जाता है, लेकिन कार्बनकरण का समय कम परिमाण का एक क्रम है, जो मिनटों में मापा जाता है। फाइबर एक स्थिरीकरण उपचार से गुजरते हैं जिसके परिणामस्वरूप एक महत्वपूर्ण वजन घटाने और व्यास में कमी होती है।
कार्बोनिज़ेशन और ग्राफिटाइजेशन उपचार
कार्बनकरण और ग्राफिटाइजेशन उपचार कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रिया में अंतिम गर्मी उपचार चरण हैं, और साथ में वे कार्बन फाइबर के अंतिम गुणों को निर्धारित करते हैं।
कार्बनकरण: of कार्बोज़ाइजेशन प्रक्रिया के दौरान, पैन प्रॉक्सीजिनेटेड फिलामेंट एक अक्रिय वातावरण में होता है और धीरे-धीरे 400 ° C से 1600 ° C तक गर्म होता है, जो कम तापमान वाले कार्बोरेजेशन 400-1000 ° C और उच्च-तापमान कार्बोज़ेशन के दो क्षेत्रों से गुजरता है। 1000-1600 डिग्री सेल्सियस। पैन प्रीऑक्सीजिनेटेड फिलामेंट को 400 डिग्री सेल्सियस से 1600 डिग्री सेल्सियस से धीरे -धीरे गर्म किया जाता है। इस तापमान में, गैर-कार्बन तत्व जैसे कि एन, एच और ओ विजयवर्गीकृत फिलामेंट में 90% से अधिक कार्बन सामग्री के साथ कार्बन फाइबर का उत्पादन करने के लिए फाइबर से जारी किए जाते हैं।
ग्राफिटाइजेशन: ofgraphitization उपचार आमतौर पर कार्बन फाइबर के अंदर एक अराजक ग्रेफाइट लैमेलर संरचना से एक नियमित तीन-आयामी ग्रेफाइट क्रिस्टल संरचना बनाने के लिए 2,500 से 3,000 ° C के उच्च तापमान पर किया जाता है। यह प्रक्रिया कार्बन फाइबर के तन्यता मापांक को काफी बढ़ा सकती है, इसलिए ग्राफिटाइज्ड कार्बन फाइबर का व्यापक रूप से एयरोस्पेस और अन्य अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों में उपयोग किया जाता है।
माइक्रोस्ट्रक्चर इवोल्यूशन: ग्राफिटाइजेशन प्रक्रिया के दौरान, कार्बन फाइबर का माइक्रोस्ट्रक्चर महत्वपूर्ण परिवर्तनों से गुजरता है, आकार में बढ़ने वाले ग्रेफाइट माइक्रोक्रिस्टल के साथ और परत रिक्ति कम हो रही है, 0.335 एन के ग्रेफाइट क्रिस्टल के आदर्श परत रिक्ति के करीब पहुंचती है। कार्बन फाइबर के यांत्रिक और थर्मल गुण।