จากไฟเบอร์สู่ผลิตภัณฑ์ - ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์

มารู้จักคาร์บอนไฟเบอร์กันก่อน

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุไฟเบอร์ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ มีคุณสมบัติทางกล เคมี ไฟฟ้า และคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ ที่ดีเยี่ยม มันคือ "ราชาแห่งวัสดุใหม่" และวัสดุเชิงกลยุทธ์ที่ขาดในการพัฒนาทางการทหารและพลเรือน เรียกว่า "แบล็กโกลด์"

เธอเรียกว่าวัสดุชั้นสูง

เงินเยอะ ทองหนึ่งนิ้ว

เธอเป็นอาวุธของปาร์ตี้แดร็กเรซซิ่งและเป็น "ม้ามืด" ในอุตสาหกรรมวัสดุ

เธอเป็นคาร์บอนไฟเบอร์

สิ่งที่ทุกคนเห็นคือสายการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์

การวิจัยและพัฒนาที่เป็นอิสระโดยสมบูรณ์ของประเทศของฉันในสายการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ T1000 ตันขนาด 100-ตัน

คาร์บอนไฟเบอร์ที่เพรียวบาง

มันถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร?

เทคโนโลยีกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้พัฒนาจนครบกำหนด ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ จึงเป็นที่ชื่นชอบของทุกเดินชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติบโตที่แข็งแกร่งของการบิน รถยนต์ ราง ใบพัดพลังงานลม ฯลฯ และบทบาทการขับเคลื่อน การพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ . โอกาสยังกว้างกว่า

ห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งออกเป็นต้นน้ำและปลายน้ำ ต้นน้ำมักจะหมายถึงการผลิตวัสดุเฉพาะของคาร์บอนไฟเบอร์ ปลายน้ำมักจะหมายถึงการผลิตส่วนประกอบที่ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทที่อยู่ในระหว่างต้นน้ำและปลายน้ำสามารถมองได้ว่าพวกเขาเป็นผู้จัดหาอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ ดังแสดงในรูป:

ในขั้นตอนต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่ไหมดิบไปจนถึงเส้นใยคาร์บอนต้องผ่านเตาออกซิเดชั่น เตาถ่านกัมมันต์ เตากราไฟท์ การรักษาพื้นผิว การปรับขนาด และกระบวนการอื่นๆ โครงสร้างไฟเบอร์โดดเด่นด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ซึ่งส่วนใหญ่ได้รับอะคริโลไนไทรล์ผ่านการกลั่นน้ำมันดิบ การแตกร้าว แอมโมเนียออกซิเดชัน และกระบวนการอื่นๆ ผู้ประกอบการคาร์บอนไฟเบอร์สร้างโพลิอะคริโลไนไตรล์โดยการทำโพลิเมอไรเซชันวัตถุดิบที่ประกอบด้วยอะคริโลไนไทรล์เป็นส่วนใหญ่ แล้วปั่นเพื่อให้ได้โพลิอะคริโลไนไตรล์ เส้นใยสารตั้งต้นโพลีอะคริโลไนไตรล์ คาร์บอนไฟเบอร์ได้มาจากกระบวนการก่อนออกซิไดซ์และการทำให้เป็นคาร์บอนของเส้นใยสารตั้งต้น และวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้มาจากการประมวลผลคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินคุณภาพสูงเพื่อตอบสนองความต้องการใช้งาน

กระบวนการผลิตของคาร์บอนไฟเบอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย: การวาด การวาด การทำให้เสถียร ถ่าน และแกรไฟต์ ดังแสดงในรูป:

การวาด: นี่เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ ส่วนใหญ่แยกวัตถุดิบออกเป็นเส้นใยซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ในระหว่างกระบวนการนี้ การถ่ายเทมวลและการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวที่ปั่นและของเหลวที่ตกตะกอน และการตกตะกอนของ PAN ในที่สุด เส้นใยสร้างโครงสร้างเจล

การร่างแบบ: ต้องใช้อุณหภูมิ 100 ถึง 300 องศาในการทำงานร่วมกับเอฟเฟกต์การยืดของเส้นใยที่มุ่งเน้น นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนสำคัญในโมดูลัสสูง การเสริมแรงสูง การเพิ่มความหนาแน่น และการปรับแต่งเส้นใย PAN

ความเสถียร: ห่วงโซ่โมเลกุลเชิงเส้นตรงเทอร์โมพลาสติก PAN ถูกเปลี่ยนเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมคางหมูทนความร้อนที่ไม่ใช่พลาสติกโดยวิธีการให้ความร้อนและออกซิเดชันที่ 400 องศาเพื่อให้ไม่ละลายและไม่ติดไฟที่อุณหภูมิสูง รักษารูปร่างของเส้นใย และอุณหพลศาสตร์อยู่ในสถานะคงที่

การทำให้เป็นคาร์บอน: จำเป็นต้องขับองค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนใน PAN ที่อุณหภูมิ 1,000 ถึง 2,000 องศา และสุดท้ายสร้างเส้นใยคาร์บอนด้วยโครงสร้างกราไฟท์เทอร์โบที่มีปริมาณคาร์บอนเท่ากับ มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์

กราไฟท์: ต้องใช้อุณหภูมิ 2,000 ถึง 3,000 องศาในการแปลงวัสดุถ่านกัมมันต์แบบอะมอร์ฟัสและเทอร์โบสเตรติกให้เป็นโครงสร้างกราไฟท์สามมิติ ซึ่งเป็นมาตรการทางเทคนิคหลักในการปรับปรุงโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอน .

ขั้นตอนโดยละเอียดของเส้นใยคาร์บอนตั้งแต่กระบวนการผลิตไหมดิบจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปคือ ผ้าไหมดิบ PAN ผลิตโดยกระบวนการผลิตไหมดิบแบบเดิม หลังจากการวาดล่วงหน้าด้วยความร้อนเปียกของเครื่องป้อนลวดแล้ว เครื่องจะถ่ายโอนไปยังเตาก่อนออกซิเดชันตามลำดับ หลังจากอบที่อุณหภูมิการไล่ระดับต่างๆ ในกลุ่มเตาก่อนออกซิเดชัน เส้นใยออกซิไดซ์จะก่อตัวขึ้น ซึ่งก็คือเส้นใยก่อนออกซิไดซ์ เส้นใยก่อนออกซิไดซ์จะเกิดขึ้นเป็นเส้นใยคาร์บอนหลังจากผ่านเตาเผาถ่านที่มีอุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูง เส้นใยคาร์บอนจะต้องผ่านการบำบัดพื้นผิว การปรับขนาด การอบแห้ง และกระบวนการอื่นๆ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ . กระบวนการทั้งหมดของการป้อนลวดอย่างต่อเนื่องและการควบคุมที่แม่นยำ ปัญหาเล็กน้อยในกระบวนการใดๆ จะส่งผลต่อการผลิตที่มีเสถียรภาพและคุณภาพของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสุดท้าย การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีขั้นตอนที่ยาวนาน ประเด็นสำคัญทางเทคนิคมากมาย และอุปสรรคในการผลิตที่สูง เป็นการผสมผสานระหว่างสาขาวิชาและเทคโนโลยีที่หลากหลาย

ด้านบนเป็นการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ มาดูวิธีการใช้คาร์บอนไฟเบอร์กัน!

การแปรรูปผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์

1. การตัด

พรีเพกถูกนำออกจากห้องเย็นที่อุณหภูมิลบ 18 องศา หลังจากตื่นขึ้น ขั้นตอนแรกคือการตัดวัสดุอย่างถูกต้องตามแผนภาพวัสดุบนเครื่องตัดอัตโนมัติ

2. ปู

ขั้นตอนที่สองคือการวางพรีเพกบนเครื่องมือวาง และวางเลเยอร์ต่างๆ ตามความต้องการในการออกแบบ กระบวนการทั้งหมดดำเนินการภายใต้การวางตำแหน่งเลเซอร์

3. การขึ้นรูป

ผ่านหุ่นยนต์จัดการอัตโนมัติ พรีฟอร์มจะถูกส่งไปยังเครื่องขึ้นรูปสำหรับการอัดขึ้นรูป

4. การตัด

หลังจากการขึ้นรูป ชิ้นงานจะถูกส่งไปยังเวิร์คสเตชั่นของหุ่นยนต์ตัดสำหรับขั้นตอนที่สี่ของการตัดและการลบคมเพื่อให้แน่ใจว่ามิติของชิ้นงานมีความแม่นยำ กระบวนการนี้ยังสามารถดำเนินการกับ CNC ได้อีกด้วย

5. การทำความสะอาด

ขั้นตอนที่ห้าคือการทำความสะอาดด้วยน้ำแข็งแห้งที่สถานีทำความสะอาดเพื่อขจัดสารปลดปล่อย ซึ่งสะดวกสำหรับกระบวนการเคลือบกาวที่ตามมา

6. กาว

ขั้นตอนที่หกคือการทากาวโครงสร้างที่สถานีหุ่นยนต์ติดกาว ตำแหน่งการติดกาว ความเร็วของกาว และปริมาณกาวทั้งหมดได้รับการปรับอย่างแม่นยำ ส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนโลหะถูกตรึงซึ่งดำเนินการที่สถานีโลดโผน

7. การตรวจสอบการประกอบ

หลังจากทากาวแล้ว แผงด้านในและด้านนอกจะประกอบเข้าด้วยกัน หลังจากที่กาวแห้งตัวแล้ว การตรวจจับแสงสีน้ำเงินจะดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่ามีความถูกต้องของมิติของรูกุญแจ จุด เส้น และพื้นผิว

คาร์บอนไฟเบอร์นั้นยากต่อการประมวลผล

คาร์บอนไฟเบอร์มีทั้งความต้านทานแรงดึงที่แข็งแกร่งของวัสดุคาร์บอนและความสามารถในการแปรรูปที่อ่อนนุ่มของเส้นใย คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม

ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์ CFRP สูงกว่าใยแก้ว GFRP . อย่างมาก 

ยกตัวอย่างคาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กทั่วไปของเรา เปรียบเทียบสองภาพนี้ ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 400 ถึง 800 MPa ในขณะที่ความแข็งแรงของเหล็กธรรมดาคือ 200 ถึง 500 MPa เมื่อพิจารณาถึงความเหนียวแล้ว คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้านั้นโดยพื้นฐานแล้วจะคล้ายกัน และไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจน

คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงสูงกว่าและน้ำหนักเบากว่า ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงเรียกได้ว่าเป็นราชาแห่งวัสดุใหม่ เนื่องจากข้อดีนี้ ในระหว่างการประมวลผลของคอมโพสิตเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เมทริกซ์และเส้นใยมีปฏิสัมพันธ์ภายในที่ซับซ้อน ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุคอมโพสิตแตกต่างจากโลหะ ความหนาแน่นของ CFRP นั้นน้อยกว่าโลหะมาก ในขณะที่ความแข็งแรงนั้นมากกว่าโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของ CFRP เส้นใยดึงออกหรือการแยกเส้นใยเมทริกซ์มักเกิดขึ้นระหว่างการประมวลผล CFRP มีความต้านทานความร้อนสูงและทนต่อการสึกหรอ ซึ่งทำให้มีความต้องการอุปกรณ์มากขึ้นในระหว่างการประมวลผล ดังนั้นความร้อนตัดจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้นในกระบวนการผลิต ซึ่งร้ายแรงกว่าสำหรับการสึกหรอของอุปกรณ์

ในขณะเดียวกัน ด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ความต้องการจึงมีความละเอียดอ่อนมากขึ้นเรื่อยๆ และข้อกำหนดสำหรับการบังคับใช้วัสดุและข้อกำหนดด้านคุณภาพสำหรับ CFRP ก็ยิ่งเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งทำให้ต้นทุนในการประมวลผลลดลงด้วย ที่จะเพิ่มขึ้น

การแปรรูปแผ่นใยคาร์บอน

หลังจากที่แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการบ่มและขึ้นรูปแล้ว กระบวนการหลังการประมวลผล เช่น การตัดและการเจาะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความต้องการด้านความแม่นยำหรือความต้องการในการประกอบ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกันของพารามิเตอร์กระบวนการตัด ความลึกของการตัด ฯลฯ การเลือกเครื่องมือและดอกสว่านของวัสดุ ขนาด และรูปร่างที่แตกต่างกันจะมีผลแตกต่างกันมาก ในเวลาเดียวกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความแข็งแรง ทิศทาง เวลาและอุณหภูมิของเครื่องมือและการฝึกซ้อมก็จะส่งผลต่อผลการประมวลผลเช่นกัน

ในขั้นตอนหลังการประมวลผล พยายามเลือกเครื่องมือที่คมพร้อมการเคลือบด้วยเพชรและดอกสว่านคาร์ไบด์ ความต้านทานการสึกหรอของเครื่องมือและดอกสว่านเป็นตัวกำหนดคุณภาพของการประมวลผลและอายุการใช้งานของเครื่องมือ หากเครื่องมือและดอกสว่านไม่คมหรือใช้งานอย่างไม่เหมาะสม จะไม่เพียงเร่งการสึกหรอ เพิ่มต้นทุนในการประมวลผลของผลิตภัณฑ์ แต่ยังทำให้แผ่นเสียหาย ซึ่งส่งผลต่อรูปร่างและขนาดของแผ่นและ ความมั่นคงของขนาดของรูและร่องบนจาน ทำให้เกิดชั้นของวัสดุฉีกขาด หรือแม้แต่บล็อกยุบ ส่งผลให้เป็นเศษของกระดานทั้งหมด

เมื่อเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ ยิ่งเร็ว ยิ่งได้ผลดี ในการเลือกดอกสว่าน การออกแบบปลายดอกสว่านที่เป็นเอกลักษณ์ของดอกสว่านขอบหน้า PCD8 เหมาะสำหรับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งสามารถเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้ดีขึ้นและลดความเสี่ยงที่จะเกิดการหลุดลอก

เมื่อตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์แบบหนา ขอแนะนำให้ใช้หัวกัดแบบบีบอัดสองคมตัดที่มีการออกแบบขอบเกลียวซ้ายและขวา คมตัดที่คมนี้มีปลายเป็นเกลียวทั้งบนและล่าง ซึ่งทำให้แรงตามแนวแกนของเครื่องมือสมดุลขึ้นและลงในระหว่างการตัด เพื่อให้แน่ใจว่าแรงตัดที่ได้จะส่งไปยังด้านในของวัสดุ เพื่อให้ได้สภาวะการตัดที่มั่นคงและยับยั้งการเกิดการหลุดลอกของวัสดุ การออกแบบขอบรูปเพชรบนและล่างของเราเตอร์ "ขอบสับปะรด" ยังสามารถตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่องลึกของร่องคายเศษสามารถขจัดความร้อนในการตัดออกได้มากจากการคายเศษระหว่างกระบวนการตัด เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกิดกับคาร์บอนไฟเบอร์ คุณสมบัติของแผ่น