EN
Түсіну Көміртек талшығы мата Құрамы
Басқарымдар: Полимерден Карбонға
Көміртегі талшықты мата өз жолын жақсы пайдаланатын шикізатпен, негізінен полиядровинилнитрил немесе қысқаша айтқанда PAN және сонымен қатар пішпен бастайды. Бұл жерде талшықтарды жасауға қандай заттар кіретіні ең маңызды рөл атқарады, себебі соңғы өнімнің сапасы оған байланысты. Қазіргі кезде нарықтағы көміртегі талшығының көпшілігі - шамамен 90% - тікелей PAN материалдарынан жасалады. Қалған 10%? Осы жерде піш пен көне әдіспен жасалған вискоздың рөлі бар. Өндірушілер бастапқы материалдарды таңдаған кезде, талшықтың беріктігі, қаншалықты қатты болатындығы, жылу әсеріне қаншалықты төтеп бере алатындығы сияқты сапалар үшін сапасы әрі қарай ерекше маңызға ие болады. Негізгі құрылыс блоктарын таңдау процесі әртүрлі қолданыстардағы соңғы нәтижелер үшін үлкен маңызға ие.
Полимерлерді көмірге айналдыру әр кезеңді дәл орындау туралы. Мысалы, көмірлеу процесін қарастырайық. ПАН (полиакрилонитрил) синтезінен көміртекті талшықтар алу кезінде өндірушілер материалды оттегі болмаған жағдайда өте жоғары температурада қыздырады. Бұл процесс көмірге айналмайтын барлығын жағып тастайды, ал біз қалаған арнайы талшық қасиеттерін сақтайды. Бұл қатты өңдеуден кейін талшықтарды өңдеу мен өлшемдеу арқылы оларды матаға түгел жабыстырады. Қызықтысы, егер бастапқы материал сапасы жаман болса, онда әрі қарай бәрі құлдырайды. Сол себепті нақты өндірушілер өз өндірістерінде жоғары сапалы шикізаттарды пайдалануды талап етеді. Жақсы кіріс материалдары күштірек және сенімді өнім береді көміртек талшығы мата соңында.
Рөлін Углеродніктерден тұратын жолақтық қыр Құрылым
Көміртегі талшықты мата қалай құрылғаны механикалық қасиеттері мен қолданылатын жерін анықтайды. Біз үш негізгі түрін көреміз: бір бағытта, тоқылған және тоқылмаған конфигурациялар, олардың әрқайсысы белгілі мақсаттар үшін әртүрлі нәрсе ұсынады. Бір бағыттағы көміртекті талшықта барлық өте берік талшықтар тек бір бағытта орналасады. Бұл ось бойында ғана өте берік болады, ал егер көптеген бағытта беріктік қажет болса, бірнеше бағытта қабаттар жасау керек. Тоқылған түрлері талшықтарды қарапайым тоқыма, твилл тоқыма немесе дәл сатен тоқымада басып өтеді. Бұл екі бағытта бір мезгілде шыдамды болатын және ұшақ корпусында немесе спорт көліктерінің корпусында өте әдемі көрінетін материалдарды жасайды.
Зерттеушілер уақыт өткен сайын мата құрылымы оның қаншалықты берік және икемді болатындығына әсер ететінін анықтады. Мысалы, жүнді мата талшықтары әртүрлі бағытта орналасады, бұл оған күш пен икемділік арасындағы жақсы тепе-теңдік береді. Бұл қасиеттерді ұшақ бөлшектері немесе автомобиль компоненттері сияқты күрделі пішіндерге ие болу үшін тамаша жарамды етеді. Енді аэроғарыштық бөлшектердің кейбір түрлері үшін белгілі бір бағытта максималды күш қажет болса, онда бір бағыттағы құрылымдар ең жақсы нәтиже береді. Көміртегі талшықты мата түрін таңдау тек қағаз бетінде дұрыс көрінетін нәрсені таңдау ғана емес. Әртүрлі салаларда әртүрлі өнімдердің сипаттамалары қажет болғандықтан, дұрыс таңдау өндіріс шығындарынан бастап соңғы өнімнің сапасына дейінгі барлық нәрсеге үлкен әсер ететінін ескеру қажет.
Карбон ткінің өнімдерін жасау процесі
Прекурсор материалдар және оксидация
Көміртегі талшықты мата жасау үшін алдымен тотығу процесі кезінде талшықтарды тұрақты ұстап тұру үшін дайындалған дұрыс шикізатты алу керек. Әдетте, өндірушілер негізгі материал ретінде полиакрилонитрил (PAN) немесе пітшті пайдаланады. Осы материалдарды көміртегі талшықтарына айналдыру үшін біраз дайындау керек. Барлық процесс тотығу деп аталатын кезеңнен өтеді, онда белгілі бір химиялық заттар келесі кезеңдерде барлығын көміртегіге айналдыру кезінде барлығының тұрақты болып қалуын қамтамасыз етеді. Мұнда болып жатқан нәрсе шын мәнінде қарапайым – көміртекті емес атомдар сыртқа шығарылып тасталынады, осылай берік көміртекті құрылым қалады. Әдетте, материалды озон газына ұстап тұру немесе әрбір кезеңнің дәл қаншалықты уақыт орын алатынын бақылау арқылы қарапайым ауада ұстап тұру сияқты әдістер қолданылады, сондықтан соңғы өнім оңай бұзылмай жұмыс істейтін болады.
Карбонизация және Графитизация
Тұрақтандырудан кейін талшықтар көміртектік процеске ұшырайды, бұл негізінде оларды шынымен жоғары температураға дейін қыздырып, нақты көміртектікке айналдыру. Бұл әдетте 1000 градус Цельсийден 3000 градус Цельсийге дейінгі аралықта болады. Осындай экстремалды температурада көміртекті емес көпшілік заттар жанып кетеді де, нәтижесінде таза көміртекті талшықтар қалады. Кейбір талшықтар соңынан графиттендіру деп аталатын тағы бір кезеңнен өтеді, онда оларды 3000 градустан да жоғары қыздырады. Осы қосымша қыздыру материалдың құрылымдық өзгерістеріне әкеп соғып, оны мықты және берік етеді. Бұл барлық процесстің сапалылығы әр кезеңде жағдайды бақылау астында ұстауға көп байланысты. Өндірушілер осы температуралық жағдайларға байланысты кез келген қате жіберсе, дайын көміртекті мата сапасына кері әсер етеді.
Карбон тікбұрышын жогарлату әдістері
Көміртегі талшықты мата тоқу әртүрлі пішіндерде келеді, әрқайсысы белгілі бір мақсаттар мен материалдық сапалар үшін жобаланған. Негізгі түрлеріне жатады: жай, твил және атлас тоқулар, олар иілу, төзімділік және жалпы беріктік тұрғысынан өзіндік артықшылықтарын алып келеді. Жай тоқу барлық жағынан біркелкі механикалық сипаттамалар береді. Твил тоқу матаға икемділік қасиет береді, сондықтан өндірушілер күрделі пішіндер мен нақты өрнектер үшін осы тоқуды таңдайды. Атлас тоқу бетінің өте тегіс болып шығуы және материалдың жеңіл иілуіне мүмкіндік беретіндіктен ерекшеленеді, сондықтан сыртқы түрі ең маңызды болып табылатын жерде жақсы жұмыс істейді. Салалық зерттеулер дұрыс тоқу түрін таңдау өндіріс шығындары мен соңғы өнімнің қаншалықты жақсы жұмыс істеуіне үлкен әсер ететінін көрсетеді, сондықтан компаниялар қандай тоқу түрі олардың қажеттіліктеріне сәйкес келетінін анықтауға көп уақыт жұмсайды.
Қатарлық және жабайтқыш карбон фибр табандары арасындағы айырмашылықтар
Бір бағытта және тоқылған көміртегі тақталар арасындағы негізгі айырмашылық олардың жасалу тәсілі мен шыдай алатын күштерінде. Бір бағыттағы тақталарда барлық көміртегі талшықтары бір бағытта түзу болып жатады, бұл оларға сол бағытта өте мықты беріктік пен қаттылық қасиет береді. Дәл осындай қасиеттерге ие болғандықтан олар ұшақ бөлшектері сияқты әріптерден әсер ететін өте күшті күштерге төтеп беретін бөлшектер үшін өте қолайлы. Екінші жағынан, тоқылған көміртегі талшықтарын сол 0/90 градус немесе кейде 45 градус бұрыш жасап бір-біріне тоқиды. Осындай құрылым нәтижесінде материал әртүрлі бағыттардан әсер ететін кернеуге төзімді болып келеді. Автокөлік өнеркәсібі мұндай материалды көлік корпусын жасау үшін қолданады, өйткені оған алды-арты, сол және оң жақ бағыттардан келетін күшке төзімді болу қажет. Қайық жасайтын кәсіпорындар да судағы толқындар әртүрлі бағыттардан соғып тұратындықтан тоқылған көміртегі талшыққа сенімді түрде сүйенеді.
Бұл әртүрлі стилдердің механикалық сипаттамалары да өзара біршама ерекшеленеді. Біз бір бағыттағы пластиналарға назар аударсақ, олар талшықтар бағытында өте күшті созу мен иілу кедергісін көрсететінін байқаймыз. Бұл оларды бір белгілі бағытта максималды тұрақтылық қажет болған жағдайда өте қолайлы етеді. Бірақ мұнда бір жағдай бар: егер күштер жанынан немесе диоганальды бағыттан әсер етсе, олардың беріктігі бірден төмендейді. Тоқылған пластиналар өз тарапынан басқаша тарих айтады. Олардың кез келген бір бағытта қаншалықты күшті еместігін мойындау керек, бірақ бұл кемшілікті бірнеше бағытта теңгерілген өнімділікпен толтырып отырады. Дәл осындай көпқырлылық оларды әртүрлі жүктеме жағдайларында тұрақты болып қалуға көмектеседі. Көптеген тәжірибелі инженерлер белгілі бір бағытта өте күшті құрылымдар жасау кезінде бір бағыттағы материалдарды таңдауды ұсынады, ал кез келген бағытта болжамсыз келіп түсетін жүктемелер бар жағдайда әдетте тоқылған материалдардың нұсқалары құтты болып табылады.
Карбондық волокнелермен гибрид материалдар
Көміртегі талшықты жабысқақтармен жасалған гибридті мата қазіргі заманғы өндірісте барған сайын маңызды рөл атқаруда. Бұл материалдар көміртегі талшықтарын басқа заттармен қосып, жалпы өнімділік көрсеткіштерін арттырады. Қазіргі заманғы жабысқақ технологиялары көміртегі талшықтары мен әртүрлі негізгі материалдар арасындағы жабысу сапасын жақсартады, яғни соңғы өнім күшті жүктемелерді шыдай алады және салмақты біркелкі таратады. Көміртегі талшықты жабысқақтардың өндіріс шығындары мен өнімділікке әсері олардың құндылығын анықтайды. Бұл технология өндіріс процесінде күрделі мата құрылымдарына көміртегі талшықтарын енгізуді әлдеқайда жеңілдетеді. Бұл әдіс инженерлерге өте жеңіл бола тұра ғажап беріктік сақтайтын композитті мата жасауға мүмкіндік береді. Дәл осы қасиеттер оларды әуе қозғалтқыштары компоненттері үшін идеалды етіп жасайды, өйткені салмақтың азаюы тікелей отын үнемдеуге әкеледі.
Әуе әрі қаржылық өндірушілер гибридті матаға көшіп жатыр, себебі олар дәстүрлі материалдарға қарағанда жақсы нәтиже береді. Ұшақтар мен ғарыш кемелері үшін бұл құрама материалдар өзінің аса беріктігімен және артық салмақ қоспайтын жеңілдігімен ерекшеленеді. Сонымен қатар олар уақыт өткен сайын бұзылмайтын қатал ортаны көтеріп тұрады. Автокөлік жасаушылар оларды қатты қажет етеді, себебі олар сына отырып жарылмайды және әдеттегіден әлдеқайда жақсы соққыны жұтады. Бұл қатаң отын үнемдеу стандарттарын сақтау керек болған кезде қауіпсіз көліктерді жобалау үшін өте маңызды. Гибридті мата технологиясын әртүрлі салаларда сынауға кіріскен сайын ғарыштық аппараттардың бөлшектерінен бастап жарыс көліктерінің корпусына дейінгі барлығында нақты өрлеу байқалып жатыр. Бұл материалдардың көпқырлылығы инженерлердің бірнеше жыл бұрын мүмкін емес деп саналған мәселелерді шешуіне мүмкіндік береді.
Карбон фибралық тіркелік ерекшеліктері
Ырыстап-сап қатынасының үздік мәндері
Көптеген материалдармен салыстырғанда көміртегі талшықтарының беріктігі мен салмағының арасындағы қатынасы ерекше орын алады. Көміртегі талшығы негізінен болаттан және алюминийден әлдеқайда берік, орта есеппен болаттан бес есе күшті, бірақ оңай салмақты. Құрылыс материалдарында қолданушылар үшін қосымша салмақ қоспайтын, бірақ өте берік болуы – өте маңызды. Зертханалық сынақтар көміртегі талшығының қысымға тұрақты екенін көрсетті. Әр ондық салмақтың маңызы бар салаларда бұл материал түбегейлі өзгеріс әкелді. Мысалы, әуе компаниялары көміртегі талшықтарынан жасалған бөлшектерге ауысу арқылы ұшақтың жалпы салмағын азайтып, отын шығынын кемітіп, ұшу қашықтығын арттырады. Жер бетінде автомобиль өндірушілер де осындай пайдалы әсер алады. Көміртегі талшығын қолданып жасалған машиналар өз салмағының шамамен жартысын жоғалтып, жанармай үнемдеу көрсеткішін 35% арттырады және сонымен қатар жолаушылардың қауіпсіздігін қамтамасыз етеді. Бұл көрсеткіштер Energy.gov сайтымен расталған, дегенмен нақты нәтижелер материал қолдану тәсілдеріне байланысты өзгеруі мүмкін.
Тепловоділік және электр ластаныс
Көміртекті талшықтың ерекшелігі – оның жылу оқшаулағыш материалдармен салыстырғанда жылуды өте жақсы өткізу қабілеті. Көбінесе оқшаулағыштар жылудың берілуін бөгет етіп жұмыс істейді, ал көміртекті талшық жылуды тиімді түрде таратады. Бұл өте жоғары температура болатын жағдайларда температураны басқару үшін өте қолайлы. Ұзақ уақыт бойы қатты ыстыққа ұшырағанмен де материал бұзылмайды, сондықтан әсіресе ғарыш және өнеркәсіп салаларында температураны басқару маңызды болған жағдайда өндірушілер оған сенімді тапсырады. Түрлі қызықты қасиеті – оның электр өткізгіштігі. Бұл тек қана теориялық ғана емес. Электроника компаниялары электр тогын жоғалтпай өткізу қажет болатын бөлшектерді жасау үшін көміртекті талшықты пайдаланып жатыр. Кейбір нақты әлемде жүргізілген сынақтар көміртекті талшықты плата тақталары мен қосылыстарға енгізу ақпараттың бүтіндігін жақсартып, энергияның шығынын төмендететінін көрсетті.
Химиялық қарым-қатынастың жеке қызметкерлері мен ұзын соғыс
Көміртегі талшықты мата өзінің әртүрлі өнеркәсіптік химикаттар мен еріткіштерге төзімділігі арқасында ерекшеленеді, бұл оның қаншалықты ұзақ қызмет ететінін арттырады. Материалдар осындай химикаттарға төзімді болған сайын, ұзақ уақыт бойы ақшаны үнемдеуге болады, әсіресе басқа материалдарды ылғалдайтын заттарға ұшырайтын қатаң орталарда. Құрылыс алаңдары мен зауыттар бұл қасиетті өте пайдалы деп табады, өйткені олардың жабдықтары күн сайын қатты жағдайларға тап болады. Зерттеулер көміртекті талшық өз пішіні мен беріктігін сақтап қалатынын көрсетеді, әсіресе қатты коррозиялық жағдайларға ұшыраған кезде. Бұл химиялық төзімділікті қаттылығы мен жылуға төзімділігімен қоссақ, материалдардың жылдан жылға дейін шыдайтын жобалар үшін көптеген әртүрлі салалар көміртекті талшықты матаға күшейіп жүгіретінін көруге болады.
