Oglekļa šķiedras ražošana reti sākas ar oglekli: visbiežāk par pamatu izmanto akrila polimēra – poliakrilnitrila (PAN) – dziju, ko vispirms karsē gaisā līdz aptuveni 180–300 °C, bet pēc tam bez skābekļa līdz vairāk nekā 1000 °C. Dzija zaudē gandrīz visu, kas nav ogleklis, un kļūst par oglekļa pavedienu. Pēc tam pavedienus apvieno kūlīšos, auž, piesūcina ar sveķiem un sacietina veidnē. Lūk, katrs posms, vienkārši izskaidrots.
Krustotais raksts, ko redzat uz austas oglekļa šķiedras maciņa, ir visas šīs ķēdes redzamais rezultāts: tūkstošiem pavedienu, kas apvienoti kūlīšos, savīti un pēc tam nostiprināti caurspīdīgos sveķos.
Īsumā
- Lielākā daļa oglekļa šķiedru tiek iegūta no PAN dzijas, ko stabilizē gaisā un pēc tam karbonizē inertā gāzē.
- Karbonizācijas temperatūra nosaka šķiedras veidu: augstas stiprības – ap 1200–1400 °C, augsta moduļa – līdz 3000 °C.
- Cieta detaļa rodas tikai ar sveķiem: audums vai prepregs, veidne un pēc tam sacietināšana vakuumā vai autoklāvā.
No kā ražo oglekļa šķiedru?
Tīru oglekli nevar vērpt: normālā spiedienā tas nekūst un nešķīst. Tāpēc, lai iegūtu oglekļa pavedienu, vispirms izgatavo pavedienu no cita materiāla, tā sauktā prekursora, un pēc tam ar karstumu atdala visu, kas nav ogleklis, dzijai nezaudējot formu.
Tehniskajā literatūrā aprakstīti trīs prekursori: poliakrilnitrils (PAN), viskozes šķiedras (mākslīgais zīds) un piķis – naftas vai akmeņogļu atlikums. Šajā rakstā aplūkots PAN – ceļš, kas aprakstīts augstas stiprības un augsta moduļa šķiedrām un kas dod labu oglekļa iznākumu: saskaņā ar Indian Institute of Technology kursu, kas publicēts NPTEL, PAN prekursori dod 50–55 % oglekļa iznākumu. Citiem vārdiem, aptuveni puse no sākotnējās dzijas masas ražošanas laikā izdalās gāzu veidā.
PAN ir polimērs, kas līdzīgs akrila tekstilizstrādājumu polimēram. No tā vērpj tūkstošiem nepārtrauktu pavedienu, kurus izstiepj, lai garās molekulas sakārtotos gar dzijas asi. Šī sakārtotība ir svarīga: tieši tā vēlāk piešķirs oglekļa šķiedrai stingrību garenvirzienā.
Kā akrila dzija kļūst par oglekli?
Pārveide notiek nepārtraukti: kūlīši virzās cauri krāšņu virknei ar pieaugošu temperatūru. Izšķir trīs posmus.
1. Stabilizācija (jeb oksidēšana)
PAN dziju vispirms karsē gaisā, aptuveni 180–300 °C temperatūrā. Molekulas pārkārtojas un piesaista skābekli: dzija kļūst melna un, galvenais, nekūstoša. Bez šī posma tā nākamajās krāsnīs izkustu vai sadegtu. Reakcijā izdalās siltums, tāpēc temperatūrai jāpaaugstinās lēni, lai reakcija neizietu no kontroles.
2. Karbonizācija
Stabilizētā dzija pēc tam nonāk krāsnīs, kas pildītas ar inertu gāzi, bez skābekļa: tāpēc tā nevar sadegt. Tajā pašā NPTEL kursā aprakstītas divas zonas: līdz 600 °C – ļoti lēna karsēšana (mazāk nekā 5 °C minūtē), pēc tam no 600 līdz 1300 °C, kur karsēt var ātrāk. Ūdeņradis, slāpeklis un skābeklis izdalās gāzu veidā, bet atlikušie oglekļa atomi sakārtojas slāņos, kas līdzīgi grafīta slāņiem.
3. Grafitizācija (dažām šķiedrām)
Lai iegūtu vēl stingrākas šķiedras, temperatūru paaugstina līdz aptuveni 3000 °C, nostieptā stāvoklī un joprojām inertā gāzē. Virs 2000 °C slāpekli vairs neizmanto kā aizsarggāzi, jo tas reaģētu ar oglekli: izmanto citas inertas gāzes.
Galīgā temperatūra nosaka iegūtās šķiedras veidu:
| Šķiedras veids | Apstrādes temperatūra | Oglekļa saturs |
|---|---|---|
| Augstas stiprības | 1200–1400 °C | 92–96 % |
| Augsta moduļa | 1800–2500 °C | ap 99 % |
| Ļoti augsta moduļa | 2800–3000 °C | ap 99 % |
Avots: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors”. Jo stingrāka šķiedra („augsta moduļa”), jo vairāk enerģijas tai nepieciešams, un tas daļēji izskaidro cenu atšķirību starp veidiem.
Kāpēc šķiedras virsmu apstrādā un pārklāj?
Izejot no krāsnīm, oglekļa šķiedra ir ļoti gluda un ķīmiski maz reaģējoša. Taču tā noder tikai tad, kad ir saistīta ar sveķiem. Šo saiti sagatavo divas darbības.
Virsmas apstrāde. Japānas ražotājs Toray savā oglekļa šķiedru izvēles ceļvedī skaidro, ka šī apstrāde „pievieno skābekli saturošas funkcionālās grupas un nedaudz kodina šķiedras virsmu”. Tā sveķi labāk pieķeras pavedienam.
Aizsargpārklājums (sizing). Pēc tam uzklāj ļoti plānu aizsargslāni, tā saukto sizing, kas izvēlēts tā, lai būtu saderīgs ar izmantojamajiem sveķiem: epoksīda, poliestera, vinilestera… Tas aizsargā pavedienus arī aušanas laikā. Toray precizē, ka plānāks slānis atvieglo kūlīša izklāšanu, bet biezāks labāk aizsargā šķiedru prasīgas apstrādes laikā.
Visbeidzot šķiedru uztin uz spolēm. Šajā posmā tā joprojām ir tikai melna, lokana dzija: stingrību tai piešķirs sveķi.
Ko nozīmē 3K, 12K un „slīpais pinums”?
No pavedieniem līdz kūlīšiem
Oglekļa kūlītis (angliski „tow”) apvieno tūkstošiem paralēlu pavedienu. Skaitlis ar burtu K norāda to skaitu tūkstošos: 3K kūlītī ir 3000 pavedienu, 12K kūlītī – 12 000. Toray ceļvedī, piemēram, šķiedra T300 norādīta ar 1000, 3000 un 6000 pavedieniem kūlītī, un kūlīši ar 1000 līdz 6000 pavedieniem pieskaitīti „mazajiem kūlīšiem”; ASV ražotie standarta kūlīši satur 12 000, 24 000 vai 36 000 pavedienu.
Mazie kūlīši dod smalku un vienmērīgu audumu – to, ko redzat uz redzamām detaļām. Lielie kūlīši vairāk piemēroti rūpnieciskām detaļām, kurām raksts reti paliek redzams.
No kūlīšiem līdz audumam
Kūlīšus pēc tam auž stellēs kā tekstilu. Aviācijai kompozītus ražojošā uzņēmuma Hexcel dokumentā „Prepreg Technology” aprakstīti galvenie pinuma veidi:
- Vienkāršais (plain): viens virsū, viens apakšā, kā šaha galdiņš. Stabils audums, taču slikti pielāgojas izliektām formām.
- Slīpais (twill, 2/1, 3/1 vai 2/2): katrs kūlītis iet pāri diviem vai trim citiem, veidojot oglekļa šķiedrai raksturīgās slīpās līnijas. Vidējs kompromiss starp stabilitāti un spēju sekot izliekumiem.
- Atlasa (satin): ļoti maz krustojumu, lokans audums, kas labi pielāgojas sarežģītām formām.
Ir arī vienvirziena slāņi, kuros visas šķiedras iet vienā virzienā; tos izmanto, ja detaļa galvenokārt tiek noslogota vienā virzienā. „Klasiskais” oglekļa šķiedras raksts, kas maina izskatu atkarībā no gaismas, visbiežāk ir slīpais pinums. Tā, starp citu, ir viena no pazīmēm, kas aprakstīta mūsu ceļvedī par to, kā atšķirt īstu oglekļa šķiedru no imitācijas.
Kā audums kļūst par stingru detaļu?
Oglekļa audums pats par sevi ir lokans. Lai iegūtu detaļu, to apvieno ar sveķiem (visbiežāk epoksīda), kas pēc sacietēšanas notur šķiedras vietā un nodod tām slodzi. Šo šķiedras un sveķu pāri sauc par kompozītu.
Prepregs
Rūpniecībā audumu bieži piegādā jau piesūcinātu ar precīzu sveķu daudzumu: tas ir prepregs. Hexcel norāda, ka to glabā saldētavā −18 °C temperatūrā, parasti 12 mēnešus, un ka rullim var būt vajadzīgas līdz 48 stundām, lai pirms atvēršanas sasniegtu istabas temperatūru. Saskaņā ar to pašu dokumentu oglekļa prepregu kompozītos šķiedru tilpuma daļa sasniedz aptuveni 60 %.
Slāņu ieklāšana, vakuuma maiss un sacietināšana
Prepregu slāņus sagriež un ieklāj veidnē citu virs cita, dažkārt mainot šķiedru virzienu: tā ir laminēšana. Visu pārklāj ar tehniskām plēvēm un maisu, pēc tam izsūknē gaisu. Vakuums saspiež slāņus kopā ar spiedienu ne vairāk kā 1 bārs, un detaļu sacietina krāsnī. Visprasīgākajām detaļām krāsni aizstāj ar autoklāvu – tvertni, kas pievieno spiedienu: Hexcel shēmā redzams spiediens no 1 līdz 10 bāriem.
Prepregu epoksīda sveķi parasti sacietē 120 °C vai 180 °C temperatūrā. Hexcel pirmajiem norāda ekspluatācijas temperatūru ap 100 °C, otrajiem – 130–155 °C. Pēc atdzišanas un izņemšanas no veidnes detaļu apgriež, vajadzības gadījumā noslīpē un, ja nepieciešams, nolako.
Fibernium padoms: izvēloties aksesuāru, Jums svarīgs ir nevis procesa nosaukums, bet redzamais rezultāts. Īstam oglekļa šķiedras audumam ir dziļums un atspīdumi, kas kustas, kad priekšmetu sasverat; apdrukāts raksts paliek plakans. Pirms izlemjat, aplūkojiet priekšmetu slīpā gaismā.
Vai kaltais ogleklis tiek ražots tāpat?
Pati šķiedra ir tā pati: tā nāk no tām pašām krāsnīm. Atšķiras formēšana. Auduma ar kārtīgi sakārtotiem kūlīšiem vietā kaltais ogleklis izmanto īsas šķiedras vai fragmentus, kas izvietoti nejauši, sajaukti ar sveķiem un iespiesti veidnē. Marmorētais raksts rodas no šī nejaušā izvietojuma, tāpēc nav divu vienādu izstrādājumu. Izskata un lietojuma atšķirības sīkāk aprakstām rakstā kaltais ogleklis vai austa oglekļa šķiedra.
Oglekļa šķiedras vēsturi – no sacīkšu trasēm līdz ikdienas priekšmetiem – varat izlasīt rakstā no trases līdz Jūsu kabatai.
Šajā rakstā aprakstīts vispārējais rūpnieciskais process. Mūsu produktu lapās aprakstām katra izstrādājuma materiālu: FIBRE ir īsta austas oglekļa šķiedras plāksne, FORGE un BRUTE ir no īsta kaltā oglekļa, MAILLE apvieno oglekļa un aramīda šķiedras. Sērijas „Style carbone” varianti GIVRE un HYBRIDE ir izgatavoti no stikla šķiedras, nevis no oglekļa. Kur atrast šos materiālus:
- Austas oglekļa šķiedras maciņi
- Kaltā oglekļa maciņi
- Krāsaina oglekļa maciņi
- Oglekļa šķiedras naudas saspraudes
Biežāk uzdotie jautājumi
Vai oglekļa šķiedra ir tīrs ogleklis?
Gandrīz. Saskaņā ar NPTEL kursu augstas stiprības šķiedras satur 92–96 % oglekļa, bet augsta moduļa šķiedras – ap 99 %. Gatava detaļa tomēr ir kompozīts: tā satur arī sveķus.
Kāpēc oglekļa šķiedras ražošana ir dārga?
Process ietver vairākas augstas temperatūras krāsnis inertā gāzē un lēnu stabilizāciju. Aptuveni puse PAN prekursora masas pa ceļam tiek zaudēta. Pēc tam vēl jāauž, jāpiesūcina, jāformē un jāsacietina.
Ko nozīmē 3K uz oglekļa auduma?
Ka katrs auduma kūlītis apvieno 3000 pavedienu. 12K kūlītī to ir 12 000. Skaitlis norāda auduma smalkumu, nevis šķiedras kvalitāti.
Kas ir autoklāvs?
Apsildāma spiediena tvertne, kurā sacietina vakuuma maisos ievietotas kompozītmateriālu detaļas. Papildu spiediens labāk saspiež slāņus un samazina burbulīšus, kas īpaši noder biezām detaļām vai detaļām ar augstu šķiedru saturu.
Vai šādi tiek ražoti Fibernium maciņi?
Šajā rakstā aprakstīta vispārējā oglekļa šķiedras un kompozītu ražošana. Produktu lapās norādīts katra maciņa materiāls; rūpnieciskais process tajās nav aprakstīts, tāpēc šeit par to neko neapgalvojam.