Производството на въглеродно влакно рядко започва с въглерод: най-често се тръгва от прежда от акрилен полимер – полиакрилонитрил (PAN), която първо се нагрява на въздух до около 180–300 °C, а след това без кислород до над 1000 °C. Преждата губи почти всичко, което не е въглерод, и се превръща във въглероден филамент. Филаментите се събират в снопове, тъкат се, напояват се със смола и се втвърдяват във форма. Ето всеки етап, обяснен просто.
Кръстосаната шарка, която виждате на калъф от тъкано въглеродно влакно, е видимият резултат от цялата тази верига: хиляди филаменти, събрани в снопове, преплетени и фиксирани в прозрачна смола.
Накратко
- Повечето въглеродни влакна се получават от PAN прежда, стабилизирана на въздух и карбонизирана в инертен газ.
- Температурата на карбонизация определя вида влакно: високоякостно при около 1200–1400 °C, високомодулно до 3000 °C.
- Твърд детайл се получава едва със смолата: тъкан или препрег, форма и втвърдяване под вакуум или в автоклав.
От какво се прави въглеродното влакно?
Чистият въглерод не може да се преде: при нормално налягане не се топи и не се разтваря. Затова, за да се получи въглероден филамент, първо се прави филамент от друг материал, така наречения прекурсор, а след това с топлина се премахва всичко, което не е въглерод, без преждата да загуби формата си.
Техническата литература описва три прекурсора: полиакрилонитрил (PAN), вискозни влакна (изкуствена коприна) и пек (катранена смола), остатък от нефт или въглища. Тази статия следва PAN – пътя, описан за високоякостните и високомодулните влакна, който дава добро въглеродно извличане: според курса на Indian Institute of Technology, публикуван в NPTEL, прекурсорите PAN дават въглеродно извличане от 50 до 55 %. Иначе казано, около половината от масата на изходната прежда излиза под формата на газове по време на производството.
PAN е полимер, близък до този в акрилните текстили. От него се изтеглят хиляди непрекъснати филаменти, които се разтягат, за да се подредят дългите молекули по оста на преждата. Това подреждане е важно: именно то по-късно дава на въглеродното влакно неговата твърдост по дължина.
Как акрилната прежда се превръща във въглерод?
Превръщането става непрекъснато: сноповете преминават през поредица пещи с нарастваща температура. Различават се три етапа.
1. Стабилизация (или окисление)
PAN преждата първо се нагрява на въздух, до около 180–300 °C. Молекулите се преподреждат и свързват кислород: преждата почернява и преди всичко става нетопима. Без този етап тя би се стопила или изгоряла в следващите пещи. Реакцията отделя топлина, затова температурата трябва да се повишава бавно, за да не излезе реакцията извън контрол.
2. Карбонизация
Стабилизираната прежда след това влиза в пещи, пълни с инертен газ, без кислород: следователно не може да изгори. Същият курс на NPTEL описва две зони: до 600 °C – много плавно нагряване (под 5 °C в минута), а след това от 600 до 1300 °C, където нагряването може да е по-бързо. Водородът, азотът и кислородът излизат като газове, а останалите въглеродни атоми се подреждат в слоеве, подобни на тези на графита.
3. Графитизация (за някои влакна)
За още по-твърди влакна температурата се повишава до около 3000 °C, под опъване и отново в инертен газ. Над 2000 °C азотът вече не се използва като защитен газ, защото би реагирал с въглерода: използват се други инертни газове.
Крайната температура определя вида на полученото влакно:
| Вид влакно | Температура на обработка | Съдържание на въглерод |
|---|---|---|
| Високоякостно | 1200 до 1400 °C | 92 до 96 % |
| Високомодулно | 1800 до 2500 °C | около 99 % |
| Свръхвисокомодулно | 2800 до 3000 °C | около 99 % |
Източник: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors“. Колкото по-твърдо е влакното („високомодулно“), толкова повече енергия изисква, което отчасти обяснява разликата в цената между класовете.
Защо повърхността на влакното се обработва и покрива?
На излизане от пещите въглеродното влакно е много гладко и химически слабо реактивно. А то е полезно само когато е свързано със смола. Две операции подготвят тази връзка.
Обработка на повърхността. Японският производител Toray обяснява в своето ръководство за избор на въглеродни влакна, че тази обработка „добавя кислородни функционални групи и леко атакува повърхността на влакното“. Така смолата се залавя по-добре за филамента.
Защитно покритие (sizing). След това се нанася много тънък защитен слой, така нареченият sizing, избран така, че да е съвместим със смолата, която ще се използва: епоксидна, полиестерна, винилестерна… Той защитава филаментите и по време на тъкането. Toray уточнява, че по-тънък слой улеснява разстилането на снопа, а по-дебел – защитава по-добре влакното при тежка обработка.
Накрая влакното се навива на бобини. На този етап то е все още само черна, гъвкава прежда: твърдостта ще дойде от смолата.
Какво означават 3K, 12K и „сержен сплит“?
От филаменти до снопове
Въглеродният сноп (на английски „tow“) обединява хиляди успоредни филаменти. Числото с буквата K показва броя им в хиляди: сноп 3K има 3000 филамента, сноп 12K – 12 000. Ръководството на Toray посочва например влакното T300 с 1000, 3000 и 6000 филамента в сноп и класифицира сноповете с 1000 до 6000 филамента като „малки снопове“; стандартните снопове, произвеждани в САЩ, имат 12 000, 24 000 или 36 000 филамента.
Малките снопове дават фин и равномерен тъкан – този, който виждате по видимите детайли. Големите снопове са по-подходящи за промишлени детайли, при които шарката рядко остава видима.
От снопове до тъкан
Сноповете се тъкат на станове като текстил. Документът „Prepreg Technology“ на Hexcel, производител на композити за авиацията, описва основните сплитки:
- Платнена (plain): едно отгоре, едно отдолу, като шахматна дъска. Стабилен тъкан, но слабо следва извитите форми.
- Сержена (twill, 2/1, 3/1 или 2/2): всеки сноп минава над два или три други, което чертае косите линии, типични за карбона. Среден компромис между стабилност и способност да следва извивките.
- Атласна (сатен): много малко преплитания, мек тъкан, който добре следва сложни форми.
Съществуват и еднопосочни слоеве, в които всички влакна вървят в една и съща посока; те се използват, когато детайлът се натоварва предимно в една посока. „Класическата“ карбонова шарка, която променя вида си според светлината, най-често е сержен сплит. Това е и един от признаците, описани в нашето ръководство как да различите истинско въглеродно влакно от имитация.
Как тъканът се превръща в твърд детайл?
Сам по себе си въглеродният тъкан е гъвкав. За да се получи детайл, той се комбинира със смола (най-често епоксидна), която след втвърдяване държи влакната на мястото им и предава натоварванията към тях. Тази двойка от влакно и смола се нарича композит.
Препрег
В промишлеността тъканът често се доставя вече напоен с точно количество смола: това е препрегът. Hexcel посочва, че се съхранява във фризер при −18 °C, обикновено 12 месеца, и че една ролка може да се нуждае от до 48 часа, за да достигне стайна температура преди отваряне. Според същия документ въглеродните композити от препрег достигат около 60 % обемно съдържание на влакно.
Поставяне на слоевете, вакуумен плик и втвърдяване
Слоевете препрег се изрязват и се наслагват един върху друг във форма, понякога с редуване на посоката на влакната: това е ламинирането. Цялото се покрива с технически фолиа и плик, след което въздухът се изсмуква. Вакуумът притиска слоевете един към друг с налягане най-много 1 bar, а детайлът се втвърдява в пещ. За най-високотоварените детайли пещта се заменя с автоклав – съд, който добавя налягане: схемата на Hexcel показва налягания от 1 до 10 bar.
Епоксидните смоли за препрег обикновено се втвърдяват при 120 °C или 180 °C. Hexcel свързва първите с работна температура около 100 °C, а вторите – с 130–155 °C. След охлаждане и изваждане от формата детайлът се обрязва, при нужда се шлайфа и евентуално се лакира.
Съветът на Fibernium: при аксесоара за вас важи не името на процеса, а видимият резултат. Истинската въглеродна тъкан има дълбочина и отблясъци, които се движат, когато наклоните предмета; отпечатаната шарка остава плоска. Разгледайте предмета на коса светлина, преди да решите.
Произвежда ли се кованият карбон по същия начин?
Самото влакно е същото: излиза от същите пещи. Променя се формоването. Вместо тъкан с подредени снопове, кованият карбон използва къси влакна или фрагменти, разположени безразборно, смесени със смола и пресовани във форма. Мраморната шарка се получава от това случайно разположение, така че няма два еднакви калъфа. Разликите във вида и употребата описваме подробно в статията кован карбон или тъкано въглеродно влакно.
Историята на карбона – от спортните писти до ежедневните предмети – можете да прочетете в от пистата до джоба ви.
Тази статия описва общия промишлен процес. На продуктовите страници описваме материала на всеки продукт: FIBRE е истинска плоча от тъкано въглеродно влакно, FORGE и BRUTE са от истински кован карбон, MAILLE съчетава карбон и арамид. Изпълненията GIVRE и HYBRIDE от гамата „Style carbone“ са от стъклено влакно, а не от карбон. Къде да намерите тези материали:
- Калъфи от тъкано въглеродно влакно
- Калъфи от кован карбон
- Калъфи от цветен карбон
- Карбонови щипки за банкноти
Често задавани въпроси
Въглеродното влакно чист въглерод ли е?
Почти. Според курса на NPTEL високоякостните влакна съдържат от 92 до 96 % въглерод, а високомодулните – около 99 %. Готовият детайл обаче е композит: съдържа и смола.
Защо производството на въглеродно влакно е скъпо?
Процесът включва няколко високотемпературни пещи в инертен газ и бавна стабилизация. Около половината от масата на прекурсора PAN се губи по пътя. След това трябва още тъкане, напояване, формоване и втвърдяване.
Какво означава 3K на въглероден тъкан?
Че всеки сноп на тъканта обединява 3000 филамента. Сноп 12K съдържа 12 000. Числото говори за фиността на тъкането, а не за качеството на влакното.
Какво е автоклав?
Нагряван съд под налягане, в който се втвърдяват композитни детайли във вакуумни пликове. Допълнителното налягане притиска по-добре слоевете и намалява мехурчетата, което е полезно главно при дебели детайли или детайли с високо съдържание на влакно.
Това ли е процесът на калъфите Fibernium?
Тази статия описва общото производство на въглеродно влакно и композити. Продуктовите страници посочват материала на всеки калъф; те не описват промишления процес, затова тук не твърдим нищо по този въпрос.