Fibre de carbone - Matériau or noir, avec des barrières industrielles élevées et une valeur ajoutée élevée du produit

1. La fibre de carbone est rigide et flexible et est largement utilisée dans les applications en aval

L'histoire du développement matériel est étroitement liée à l'histoire du développement humain, et les nouveaux matériaux sont une force motrice puissante pour que l'humanité passe du « règne naturel » à la « liberté ». Les matériaux sont généralement définis comme des substances utilisées pour fabriquer des objets utiles, et la capacité de l'homme à reconnaître et à utiliser les matériaux détermine directement la forme sociale et le niveau de vie humain. À l'époque contemporaine, les matériaux, l'énergie et l'information sont devenus les trois piliers de la civilisation sociale et de l'économie nationale, et parmi eux, les matériaux sont la base matérielle et le leader technologique du développement de la science et de la technologie.

Tout au long de l'histoire du développement des matériaux, on peut le résumer en six périodes de développement des outils en pierre/outils en bronze/outils en fer/acier/silicium/nouveaux matériaux en termes de temps. Parmi eux, avec l'ouverture de la révolution des nouvelles technologies dans la seconde moitié du XXe siècle, les nouveaux matériaux sont devenus un moteur pour le développement de divers domaines de haute technologie. Par exemple, la technologie informatique repose sur la production industrielle de matériaux semi-conducteurs, et l'industrie aérospatiale nécessite un grand nombre de matériaux structurels à haute température et à haute résistance. Il y est associé et la communication moderne par fibre optique est basée sur une fibre optique à faible consommation.

La fibre de carbone, connue comme le roi des nouveaux matériaux au 21e siècle, est un joyau brillant dans la couronne des matériaux. La fibre de carbone (CF en abrégé) est une fibre inorganique avec une teneur en carbone de plus de 90 % . Il est préparé en craquant et en carbonisant des fibres organiques (fibres à base de viscose, à base de brai, à base de polyacrylonitrile, etc.) dans un environnement à haute température pour former un mécanisme de squelette carboné. En tant que nouvelle génération de fibres de renforcement, les fibres de carbone ont d'excellentes propriétés mécaniques et chimiques, ont non seulement les caractéristiques inhérentes aux matériaux en carbone, mais ont également la capacité de traitement douce des fibres textiles, elles sont donc largement utilisées dans l'aérospatiale, les équipements énergétiques, le transport, des sports. Loisirs et autres domaines :

Poids léger : En tant que nouveau matériau stratégique avec d'excellentes performances, la densité de la fibre de carbone est fondamentalement la même que celle du magnésium et du béryllium, et elle est inférieure à 1/4 de celle de l'acier. L'utilisation d'un matériau composite en fibre de carbone comme matériau structurel peut réduire la masse structurelle de 30 % -40 %.

Haute résistance et haut module : la résistance spécifique de la fibre de carbone est 5 fois supérieure à celle de l'acier et 4 fois supérieure à celle de l'alliage d'aluminium ; le module spécifique est 1.3-12.3 fois celui des autres matériaux structuraux.

Petit coefficient de dilatation : le coefficient de dilatation thermique de la plupart des fibres de carbone est négatif à température ambiante, 0 à 200-400 degré, et seulement 1,5 × 10-6 /K lorsqu'il est inférieur à 1 000 degré, il n'est donc pas facile de se dilater et de se déformer en raison de la température de travail élevée.

Bonne résistance à la corrosion chimique : la fibre de carbone a une teneur élevée en carbone pur, et le carbone est l'un des éléments chimiques les plus stables, ce qui le rend très stable dans les environnements acides et alcalins, et peut être transformé en divers produits chimiques anti-corrosion.

Forte résistance à la fatigue : la structure en fibre de carbone est stable. Selon les statistiques du réseau de polymères, le taux de rétention de la résistance du matériau composite est toujours de 60 % après des millions de cycles de fatigue sous contrainte, contre 40 % pour l'acier, 30 % pour l'aluminium et 30 % pour le plastique renforcé de fibres de verre. Alors seulement 20 % -25 % .

Les matériaux composites en fibre de carbone sont renforcés à base de fibre de carbone. Bien que la fibre de carbone puisse être utilisée seule et remplir des fonctions spécifiques, c'est un matériau fragile après tout. Ce n'est que lorsqu'il est combiné avec le matériau de la matrice pour former un matériau composite en fibre de carbone qu'il peut exercer de meilleures propriétés mécaniques et supporter plus de charges.

Les fibres de carbone peuvent être classées selon différentes dimensions telles que le type de précurseur, la méthode de fabrication et les performances :

Selon le type de soie grège : à base de polyacrylonitrile (PAN), à base de brai (isotrope, mésophase) ; à base de viscose (à base de cellulose, à base de rayonne). Parmi eux, la fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) occupe la position dominante, la production représentant plus de 90 % de la fibre de carbone totale, et la fibre de carbone à base de viscose est inférieure à 1 %.

Classification selon les conditions et méthodes de fabrication : fibre de carbone (800-1600 degré ), fibre de graphite (2000-3000 degré ), fibre de charbon actif, fibre de carbone issu de la phase vapeur.

Selon les propriétés mécaniques, il peut être divisé en type à usage général et type à haute performance : la fibre de carbone à usage général a une résistance de 1000MPa et un module d'environ 100GPa ;), dans laquelle la résistance supérieure à 4000MPa est également appelée le type ultra-haute résistance, et le module supérieur à 450GPa est appelé le modèle ultra-élevé.

Selon la taille du remorquage, il peut être divisé en petit remorquage et grand remorquage : la petite fibre de carbone de remorquage est principalement 1K, 3K, 6K dans l'étape initiale, et progressivement développée en 12K et 24K, qui est principalement utilisée dans l'aérospatiale, terrains de sports et de loisirs. Les fibres de carbone au-dessus de 48K sont généralement appelées grandes fibres de carbone, y compris 48K, 60K, 80K, etc., qui sont principalement utilisées dans les domaines industriels.

La résistance à la traction et le module de traction sont les deux indicateurs les plus importants pour mesurer les performances de la fibre de carbone. Sur cette base, mon pays a promulgué la "Norme nationale pour la fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) (GB/T26752-2011)" en 2011. Dans le même temps, parce que le japonais Toray a un avantage absolu sur le marché mondial l'industrie de la fibre de carbone, la plupart des fabricants nationaux adoptent également la norme de classification du Toray japonais comme référence.

2.Barrières techniques élevées dans l'industrie, la production de soie grège est le noyau, la carbonisation et l'oxydation sont la clé

Le processus de production de fibre de carbone est complexe et nécessite un équipement et une technologie extrêmement sophistiqués. Le contrôle de la précision, de la température et du temps de chaque lien affectera grandement la qualité du produit final. La fibre de carbone polyacrylonitrile est devenue la fibre de carbone avec le champ d'application le plus large et le rendement le plus élevé à ce stade en raison de son processus de préparation relativement simple, de son faible coût de production et de l'élimination pratique de trois déchets. Sa principale matière première, le propane, peut être obtenue à partir du pétrole brut, et la chaîne industrielle de la fibre de carbone polyacrylonitrile comprend un processus de fabrication complet allant de l'énergie primaire aux applications d'utilisation finale.

Après avoir préparé du propane à partir de pétrole brut, le propane peut être obtenu par déshydrogénation catalytique sélective (PDH);

L'acrylonitrile est obtenu après ammoxydation du propylène, et le précurseur de polyacrylonitrile (PAN) est obtenu après polymérisation et filage de l'acrylonitrile ;

Le polyacrylonitrile est pré-oxydé, carbonisé à basse température et à haute température pour obtenir de la fibre de carbone, et peut être transformé en tissu en fibre de carbone et en préimprégné en fibre de carbone pour la production de matériaux composites en fibre de carbone ;

La fibre de carbone est combinée avec de la résine, de la céramique et d'autres matériaux pour former des matériaux composites en fibre de carbone, et enfin les produits finaux requis par les applications en aval sont obtenus par divers procédés de moulage ;

La qualité et le niveau de performance du précurseur déterminent directement la performance finale de la fibre de carbone. Par conséquent, l'amélioration de la qualité de la solution de filage et l'optimisation des différents facteurs de la formation des fibres précurseurs sont devenues des nœuds clés dans la préparation de fibres de carbone de haute qualité.

Selon « Research on the Production Process of Polyacrylonitrile-Based Carbon Fiber Precursor », le procédé de filage comprend principalement trois catégories : filage humide, filage sec et filage sec-humide. À l'heure actuelle, le processus de production de précurseurs de polyacrylonitrile au pays et à l'étranger adopte principalement le filage humide et le filage sec-humide, parmi lesquels le filage humide est le plus largement utilisé.

Dans le filage humide, la solution de filage est d'abord extrudée du trou de la filière et la solution de filage entre dans le bain de coagulation sous la forme d'un fin jet. Le mécanisme de filage de la solution de filage de polyacrylonitrile est le suivant : il existe un grand écart entre la concentration de DMSO (diméthylsulfoxyde) dans la solution de filage et le bain de coagulation, et la concentration d'eau dans le bain de coagulation et la solution de polyacrylonitrile est également énorme. écart. Sous l'interaction des deux différences de concentration ci-dessus, les liquides commencent à se diffuser dans les deux sens et se condensent finalement en filaments par des processus tels que le transfert de masse, le transfert de chaleur et le mouvement d'équilibre de phase.

Le DMSO résiduel, la finesse, la résistance du monofilament, le module, l'allongement, la teneur en huile et le retrait à l'eau bouillante dans la production de soie grège deviennent les facteurs clés affectant la qualité de la soie grège. En prenant la quantité résiduelle de DMSO comme exemple, elle a un effet sur les propriétés apparentes du précurseur, l'état de la section transversale et la valeur CV du produit final en fibre de carbone. Plus la quantité résiduelle de DMSO est faible, plus la performance du produit est élevée. En production, le DMSO est principalement éliminé par lavage, alors comment contrôler la température de lavage, le temps, la quantité d'eau dessalée et la quantité de circulation de lavage devient un maillon important.

Les précurseurs de polyacrylonitrile de haute qualité doivent avoir les caractéristiques suivantes: haute densité, haute cristallinité, résistance appropriée, section circulaire, moins de défauts physiques, et en même temps avoir une surface lisse et une structure peau-noyau uniforme et dense.

Le contrôle de la température de carbonisation et d'oxydation est la clé. La carbonisation et l'oxydation sont un maillon essentiel de la transformation de la soie grège en produits finaux en fibre de carbone. Dans ce lien, la précision et la plage de température doivent être contrôlées avec précision, sinon la résistance à la traction des produits en fibre de carbone sera considérablement affectée, et même une rupture de fil se produira :

Pré-oxydation (200-300 degré) : dans le processus de pré-oxydation, en appliquant une certaine tension dans une atmosphère oxydante, le précurseur PAN est lentement et légèrement oxydé, et un grand nombre de structures en anneau se forment sur la base de la chaîne droite PAN, de sorte qu'elle puisse résister à l'objectif d'un traitement à plus haute température.

Carbonisation (température maximale non inférieure à 1000 degrés): Le processus de carbonisation doit être effectué dans une atmosphère inerte. Au début de la carbonisation, la chaîne droite du PAN est rompue et la réaction de réticulation commence; à mesure que la température augmente progressivement, la réaction de décomposition thermique commence, libérant une grande quantité de petit gaz moléculaire, et la structure de graphite commence à se former; après que la température augmente encore, la teneur en carbone augmente rapidement et la fibre de carbone commence à se former.

Graphitisation (température de traitement supérieure à 2000 degrés): La graphitisation n'est pas un processus nécessaire à la production de fibres de carbone, mais un lien facultatif. Si l'on s'attend à ce que la fibre de carbone ait un module élastique élevé, une graphitisation est nécessaire; si l'on s'attend à ce que la fibre de carbone obtienne une résistance élevée, la graphitisation n'est pas nécessaire. Dans le processus de graphitisation, la température élevée provoque la formation d'une structure de maille de graphite développée à l'intérieur de la fibre, et la structure est normalisée par étirage pour obtenir le produit final.

Des barrières techniques élevées confèrent aux produits en aval une forte valeur ajoutée, et le prix des matériaux composites aéronautiques est 200 fois supérieur à celui de la soie grège. En raison de la grande difficulté de préparation de la fibre de carbone et du processus complexe, plus ses produits sont en aval, plus la valeur ajoutée est élevée, en particulier les matériaux composites en fibre de carbone haut de gamme utilisés dans le domaine aérospatial. Parce que les clients en aval ont des exigences très strictes en matière de fiabilité et de stabilité, le prix du produit Il est également géométriquement augmenté par rapport à la fibre de carbone ordinaire.