Analiza osnovnih razloga visoke vlačne čvrstoće krpe od ugljičnih vlakana

 

I. Molekularna struktura i orijentacija kristala
1. Slojevito raspored atoma ugljika
Ugljična vlakna sastoje se od visoko naručenih grafitnih mikrokristala, a ugljični atomi tvore šesterokutnu strukturu saća kroz SP² hibridne orbitale. Ovaj slojeviti raspored omogućuje da ugljična vlakna formiraju kovalentne veze visoke čvrstoće u aksijalnom smjeru (smjer istezanja). Teoretska vlačna čvrstoća jednog sloja grafena može doseći 130 GPa, a stvarna krpa od ugljičnih vlakana može doseći 4, 900-7, 000 MPA.

2. Kontrola kristalne orijentacije
Tijekom postupka karbonizacije, visoka temperatura (1, 200-3, 000 stupanj) i kontrola napetosti koriste se za postavljanje grafitnih mikrokristala visoko orijentiranim duž osi vlakana kako bi se smanjile bočne nedostatke. Na primjer, veličina zrna ugljičnih vlakana Toray T1100 kontrolira se pri 10-20 nm, a stupanj orijentacije prelazi 90%.

Ii. Optimizacija procesa proizvodnje
1. Odabir prekursora
U mainstreamu koristi vlakna na bazi poliakrilonitrila (PAN), a ljestvična struktura njegovog molekularnog lanca tvori stabilno umrežavanje u fazi preoksidacije, a nakon karbonizacije je malo zaostalih oštećenja. Ugljična vlakna na bazi PAN-a imaju zateznu čvrstoću više od 30% veća od ugljičnih vlakana na bazi asfalta.

2. Karbonizacija i grafitizacija visoke temperature
-karbonizacija niske temperature (400-800 stupanj): Uklonite elemente bez ugljika (dušik, kisik) da biste stvorili turbostratsku grafitnu strukturu;
- Visokotemperaturna grafitizacija (2.500 stupnjeva +): promicati rast kristala kroz zaštitu argona i povećati elastični modul na više od 600 GPA.

3. Tehnologija površinske obrade
Kroz elektrokemijsku oksidaciju ili obradu u plazmi, na površini vlakana formiraju se mikro utori kako bi se povećala čvrstoća veza s matricom smole i izbjegla koncentraciju stresa uzrokovana pilingom sučelja.

Iii. Kompozitni dizajn materijala
1. Optimizacija aranžmana vlakana
Trpka od karbonskih vlakana prihvaća jednosmjerno tkanje ili običnu strukturu tkanja, s sadržajem volumena vlakana od {{0}%, osiguravajući učinkovit prijenos opterećenja duž osi vlakana. Na primjer, brzina gubitka čvrstoće od ugljičnih vlakana s smjerom od 0 stupnjeva je 80% niža od one od ± 45 stupnjeva.

2. Kontrola oštećenja
- Promjer sirove žice se kontrolira na 5-7 µm za smanjenje površinskih pukotina;
- Sporo grijanje (1-5 stupanj /min) koristi se tijekom postupka karbonizacije za inhibiranje stvaranja pora.

Iv. Usporedba performansi i inženjerska provjera
| Materijal|Vlačna čvrstoća (MPA)|Gustoća (g/cm³)|Specifična čvrstoća (MPA · cm³/g) |
| Krpa od ugljičnih vlakana (T800 stupanj)|5.890|1.80|3,272 |
| Čelik visoke snage|1.200|7.85|153 |
| Zrakoplovna aluminijska legura|570|2.70|211 |