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Fibra di carbonio È un materiale fibroso con un contenuto di carbonio superiore al 95%. Possiede eccellenti proprietà meccaniche, chimiche, elettriche e di altro tipo. È il "re dei nuovi materiali" e un materiale strategico che manca nello sviluppo militare e civile. È noto come "Oro Nero".

La linea di produzione della fibra di carbonio è la seguente:

Come viene realizzata la sottile fibra di carbonio?

La tecnologia di produzione della fibra di carbonio si è sviluppata e maturata. Con il continuo sviluppo dei materiali compositi in fibra di carbonio, questi vengono sempre più apprezzati in tutti i settori, in particolare grazie alla forte crescita di aviazione, automobili, ferrovie, pale eoliche, ecc. e al suo impatto trainante sullo sviluppo dell'industria della fibra di carbonio. Le prospettive sono ancora più ampie.

La filiera della fibra di carbonio può essere suddivisa in upstream e downstream. Upstream si riferisce solitamente alla produzione di materiali specifici in fibra di carbonio; downstream si riferisce solitamente alla produzione di componenti applicativi in ​​fibra di carbonio. Le aziende che si trovano a metà strada tra upstream e downstream possono essere considerate come fornitori di attrezzature per il processo di produzione della fibra di carbonio. Come mostrato in figura:

L'intero processo, dalla seta grezza alla fibra di carbonio a monte della filiera produttiva, deve passare attraverso processi come forni di ossidazione, forni di carbonizzazione, forni di grafitizzazione, trattamenti superficiali e collatura. La struttura della fibra è dominata dalla fibra di carbonio.

La parte a monte della filiera della fibra di carbonio appartiene all'industria petrolchimica e l'acrilonitrile si ottiene principalmente tramite raffinazione del petrolio greggio, cracking, ossidazione dell'ammoniaca, ecc.; la fibra precursore del poliacrilonitrile, la fibra di carbonio si ottiene tramite preossidazione e carbonizzazione della fibra precursore, mentre il materiale composito in fibra di carbonio si ottiene tramite la lavorazione della fibra di carbonio e della resina di alta qualità per soddisfare i requisiti applicativi.

Il processo di produzione della fibra di carbonio comprende principalmente la trafilatura, la stiratura, la stabilizzazione, la carbonizzazione e la grafitizzazione. Come mostrato in figura:

Disegno:Questo è il primo passaggio nel processo di produzione della fibra di carbonio. Principalmente separa le materie prime in fibre, il che comporta una trasformazione fisica. Durante questo processo, si verifica il trasferimento di massa e di calore tra il liquido di filatura e il liquido di coagulazione, e infine la precipitazione del PAN. I filamenti formano una struttura di gel.

Redazione:Richiede una temperatura compresa tra 100 e 300 gradi per combinarsi con l'effetto di allungamento delle fibre orientate. È anche un passaggio fondamentale per l'elevato modulo, l'elevato rinforzo, la densificazione e la raffinazione delle fibre PAN.

Stabilità:La catena macromolecolare lineare termoplastica PAN viene trasformata in una struttura trapezoidale non plastica resistente al calore mediante il metodo di riscaldamento e ossidazione a 400 gradi, in modo che non si fonda e non sia infiammabile ad alta temperatura, mantenendo la forma della fibra e mantenendo la termodinamica in uno stato stabile.

Carbonizzazione:È necessario espellere gli elementi non carboniosi nel PAN a una temperatura compresa tra 1.000 e 2.000 gradi e infine generare fibre di carbonio con una struttura di grafite turbostratica con un contenuto di carbonio superiore al 90%.

Tessuto in fibra di carbonio

Grafitizzazione: è necessaria una temperatura compresa tra 2.000 e 3.000 gradi per convertire i materiali carbonizzati amorfi e turbostratici in strutture di grafite tridimensionali, che è la principale misura tecnica per migliorare il modulo delle fibre di carbonio.

Il processo dettagliato della fibra di carbonio, dalla produzione della seta grezza al prodotto finito, prevede che la seta grezza PAN venga prodotta tramite il precedente processo di produzione della seta grezza. Dopo la pre-trafilatura con il calore umido dell'alimentatore di filo, la fibra viene trasferita sequenzialmente al forno di pre-ossidazione tramite la trafilatrice. Dopo essere stata cotta a diverse temperature nel gruppo di forni di pre-ossidazione, si formano le fibre ossidate, ovvero le fibre pre-ossidate; le fibre pre-ossidate vengono trasformate in fibre di carbonio dopo essere passate attraverso forni di carbonizzazione a media e alta temperatura; le fibre di carbonio vengono quindi sottoposte al trattamento superficiale finale, alla calibratura, all'essiccazione e ad altri processi per ottenere prodotti in fibra di carbonio. L'intero processo di alimentazione continua del filo e il controllo preciso, rendono ogni piccolo problema in qualsiasi processo influirà sulla stabilità della produzione e sulla qualità del prodotto finale in fibra di carbonio. La produzione di fibra di carbonio presenta un lungo flusso di processo, molti punti tecnici chiave e elevate barriere produttive. È un'integrazione di molteplici discipline e tecnologie.

Quanto sopra è la produzione della fibra di carbonio. Diamo un'occhiata a come viene utilizzato il tessuto in fibra di carbonio!

Lavorazione di prodotti in tessuto di fibra di carbonio

1. Taglio

Il prepreg viene estratto dalla cella frigorifera a -18 gradi. Dopo il risveglio, il primo passo è tagliare con precisione il materiale secondo lo schema del materiale sulla macchina da taglio automatica.

2. Pavimentazione

Il secondo passaggio consiste nel depositare il preimpregnato sull'apposito utensile e stendere i diversi strati in base alle esigenze progettuali. Tutti i processi vengono eseguiti con posizionamento laser.

3. Formatura

Tramite un robot di movimentazione automatizzato, la preforma viene inviata alla macchina per stampaggio a compressione.

4. Taglio

Dopo la formatura, il pezzo viene inviato alla postazione di taglio robotizzata per la quarta fase di taglio e sbavatura, che ne garantisce la precisione dimensionale. Questo processo può essere eseguito anche su CNC.

5. Pulizia

Il quinto passaggio consiste nell'eseguire la pulizia con ghiaccio secco nella stazione di pulizia per rimuovere l'agente distaccante, operazione utile per il successivo processo di spalmatura della colla.

6. Colla

Il sesto passaggio consiste nell'applicazione della colla strutturale presso la stazione robotizzata di incollaggio. La posizione di incollaggio, la velocità e la portata della colla vengono regolate con precisione. Parte della giunzione con le parti metalliche viene rivettata, operazione che viene eseguita nella stazione di rivettatura.

7. Ispezione dell'assemblaggio

Dopo l'applicazione della colla, i pannelli interni ed esterni vengono assemblati. Una volta che la colla si è asciugata, viene eseguita la rilevazione con luce blu per garantire la precisione dimensionale di fori, punti, linee e superfici.

La fibra di carbonio è più difficile da lavorare

La fibra di carbonio possiede sia l'elevata resistenza alla trazione dei materiali in carbonio che la lavorabilità morbida delle fibre. La fibra di carbonio è un nuovo materiale con eccellenti proprietà meccaniche. Prendiamo ad esempio la fibra di carbonio e il nostro comune acciaio: la resistenza della fibra di carbonio è compresa tra 400 e 800 MPa, mentre quella dell'acciaio comune è compresa tra 200 e 500 MPa. In termini di tenacità, la fibra di carbonio e l'acciaio sono sostanzialmente simili e non vi sono differenze evidenti.

La fibra di carbonio ha una maggiore resistenza e un peso inferiore, motivo per cui può essere definita il re dei nuovi materiali. Grazie a questo vantaggio, durante la lavorazione dei compositi rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), la matrice e le fibre presentano complesse interazioni interne, che rendono le loro proprietà fisiche diverse da quelle dei metalli. La densità del CFRP è molto inferiore a quella dei metalli, mentre la resistenza è maggiore rispetto alla maggior parte dei metalli. A causa della disomogeneità del CFRP, durante la lavorazione si verificano spesso sfilacciamenti delle fibre o distacchi della matrice; il CFRP ha un'elevata resistenza al calore e all'usura, il che lo rende più impegnativo per le attrezzature durante la lavorazione, quindi durante il processo di produzione viene generata una grande quantità di calore da taglio, che è più grave per l'usura delle attrezzature.

Allo stesso tempo, con la continua espansione dei suoi campi di applicazione, i requisiti diventano sempre più severi e i requisiti per l'applicabilità dei materiali e i requisiti di qualità per il CFRP diventano sempre più severi, il che comporta anche un aumento dei costi di lavorazione.

Lavorazione del pannello in fibra di carbonio

Dopo la polimerizzazione e la formatura del pannello in fibra di carbonio, sono necessarie operazioni di post-lavorazione come il taglio e la foratura per soddisfare requisiti di precisione o esigenze di assemblaggio. A parità di condizioni, come i parametri del processo di taglio e la profondità di taglio, la scelta di utensili e punte di materiali, dimensioni e forme diverse avrà effetti molto diversi. Allo stesso tempo, fattori come la resistenza, la direzione, il tempo e la temperatura di utensili e punte influenzeranno anche i risultati della lavorazione.

Durante la post-lavorazione, è consigliabile scegliere un utensile affilato con rivestimento in diamante e una punta in metallo duro integrale. La resistenza all'usura dell'utensile e della punta stessa determina la qualità della lavorazione e la durata dell'utensile. Se l'utensile e la punta non sono sufficientemente affilati o vengono utilizzati in modo improprio, non solo si accelererà l'usura, aumentando i costi di lavorazione del prodotto, ma si danneggerà anche la piastra, compromettendone la forma e le dimensioni e compromettendo la stabilità dimensionale di fori e scanalature. Questo può causare lacerazioni a strati del materiale o persino il collasso del blocco, con conseguente scarto dell'intera piastra.

Durante la perforazionefogli di fibra di carbonioMaggiore è la velocità, migliore è l'effetto. Nella scelta delle punte, l'esclusivo design della punta PCD8 con bordo frontale è più adatto alle lastre in fibra di carbonio, in quanto può penetrare meglio le lastre in fibra di carbonio e ridurre il rischio di delaminazione.

Per il taglio di lastre spesse in fibra di carbonio, si consiglia di utilizzare una fresa a compressione a doppio taglio con un design elicoidale a sinistra e a destra. Questo tagliente affilato presenta punte elicoidali sia nella parte superiore che inferiore per bilanciare la forza assiale dell'utensile verso l'alto e verso il basso durante il taglio, garantendo che la forza di taglio risultante sia diretta verso il lato interno del materiale, in modo da ottenere condizioni di taglio stabili e prevenire la delaminazione del materiale. Il design dei bordi a forma di diamante superiore e inferiore della fresa "Pineapple Edge" consente anche di tagliare efficacemente lastre in fibra di carbonio. La sua profonda scanalatura per i trucioli può dissipare molto calore di taglio attraverso lo scarico dei trucioli durante il processo di taglio, evitando così di danneggiare le proprietà della fibra di carbonio.

01 Fibra lunga continua

Caratteristiche del prodotto:Il fascio è il tipo di prodotto più comune dei produttori di fibra di carbonio ed è composto da migliaia di monofilamenti, che si dividono in tre tipologie in base al metodo di torsione: NT (Never Twisted, non ritorto), UT (Untwisted, non ritorto), TT o ST (Twisted, ritorto), di cui NT è la fibra di carbonio più comunemente utilizzata.

Applicazione principale:Utilizzato principalmente per materiali compositi quali CFRP, CFRTP o materiali compositi C/C, i campi di applicazione includono attrezzature aeronautiche/aerospaziali, articoli sportivi e parti di attrezzature industriali.

02 Filato di fibre discontinue

Caratteristiche del prodotto:filato di fibre corte per corto, i filati ottenuti da fibre di carbonio corte, come le fibre di carbonio a base di pece per uso generico, sono solitamente prodotti sotto forma di fibre corte.

Utilizzi principali:materiali isolanti termici, materiali antiattrito, parti composite C/C, ecc.

03 Tessuto in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:È realizzato in fibra di carbonio continua o in filato di fibra di carbonio. A seconda del metodo di tessitura, i tessuti in fibra di carbonio possono essere suddivisi in tessuti a trama intrecciata, tessuti a maglia e tessuti non tessuti. Attualmente, i tessuti in fibra di carbonio sono generalmente tessuti a trama intrecciata.

Applicazione principale:Uguale alla fibra di carbonio continua, utilizzata principalmente nei materiali compositi quali CFRP, CFRTP o materiali compositi C/C; i campi di applicazione includono attrezzature aeronautiche/aerospaziali, articoli sportivi e parti di attrezzature industriali.

04 Cintura intrecciata in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:Appartiene a un tipo di tessuto in fibra di carbonio, anch'esso tessuto con fibra di carbonio continua o filato di fibra di carbonio.

Utilizzo principale:Utilizzato principalmente per materiali di rinforzo a base di resina, in particolare per la produzione e la lavorazione di prodotti tubolari.

05 Fibra di carbonio tagliata

Caratteristiche del prodotto:Diversamente dal concetto di filato di fibra di carbonio, di solito viene preparato da fibra di carbonio continua tramite lavorazione a pezzi, e la lunghezza tagliata della fibra può essere tagliata in base alle esigenze del cliente.

Utilizzi principali:Solitamente utilizzato come miscela di materie plastiche, resine, cemento, ecc., mescolandolo alla matrice, è possibile migliorarne le proprietà meccaniche, la resistenza all'usura, la conduttività elettrica e la resistenza al calore; negli ultimi anni, le fibre di rinforzo nei compositi in fibra di carbonio per stampa 3D sono per lo più fibre di carbonio tritate. principale.

06 Rettifica della fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:Poiché la fibra di carbonio è un materiale fragile, può essere preparata in polvere dopo la macinazione, ovvero la fibra di carbonio.

Applicazione principale:simile alla fibra di carbonio tritata, ma raramente utilizzata nel rinforzo del cemento; solitamente utilizzata come composto di plastica, resina, gomma, ecc. per migliorare le proprietà meccaniche, la resistenza all'usura, la conduttività elettrica e la resistenza al calore della matrice.

07 Tappetino in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:La forma principale è il feltro o la stuoia. Inizialmente, le fibre corte vengono stratificate mediante cardatura meccanica e altri metodi, e poi preparate mediante agugliatura; noto anche come tessuto non tessuto in fibra di carbonio, appartiene a una tipologia di tessuto in fibra di carbonio.Utilizzi principali:materiali isolanti termici, substrati di materiali isolanti termici stampati, strati protettivi resistenti al calore e substrati di strati resistenti alla corrosione, ecc.

08 Carta in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:Viene preparata a partire da fibre di carbonio mediante un processo di fabbricazione della carta a secco o a umido.

Utilizzi principali:piastre antistatiche, elettrodi, coni per altoparlanti e piastre riscaldanti; le applicazioni più gettonate degli ultimi anni riguardano i nuovi materiali catodici per batterie di veicoli energetici, ecc.

09 Preimpregnato in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:un materiale intermedio semi-indurito realizzato in resina termoindurente impregnata di fibra di carbonio, che presenta eccellenti proprietà meccaniche ed è ampiamente utilizzato; la larghezza del preimpregnato in fibra di carbonio dipende dalle dimensioni dell'attrezzatura di lavorazione e le specifiche comuni includono materiali preimpregnati con larghezza di 300 mm, 600 mm e 1000 mm.

Applicazione principale:attrezzature aeronautiche/aerospaziali, articoli sportivi e attrezzature industriali, ecc.

010 materiale composito in fibra di carbonio

Caratteristiche del prodotto:Materiale per stampaggio a iniezione costituito da resina termoplastica o termoindurente miscelata con fibra di carbonio; alla miscela vengono aggiunti vari additivi e fibre tritate, per poi essere sottoposta a un processo di compoundazione.

Applicazione principale:Grazie all'eccellente conduttività elettrica, all'elevata rigidità e ai vantaggi della leggerezza, il materiale viene utilizzato principalmente negli involucri delle apparecchiature e in altri prodotti.

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