Әуе-космостық және автомобиль өнеркәсібі үшін жоғары өнімді көміртек талшықтары | Вэйхай Душі

Көміртегі талшықты препрег: Жоғары берікті композитті материалдар үшін негізгі аралық өнімдердің классификациясы мен құндылықталуы

Аэроғарыш, жаңа энергиялық көліктер және материалдардың өте жоғары өнімділігін талап ететін басқа да жоғары дәрежелі жабдықтар сияқты салаларда көміртегі талшықтары мен шайырдың дәл комбинациясы болып табылатын көміртегі талшықты преформа жоғары өнімді композит өнімдерді өндірудің негізгі шикізатына айналды. Бұл өнім көміртегі талшықты күшейтуді шайыр матрицасымен кәсіби процестер арқылы үйлестіреді, көміртегі талшықтың жоғары қаттылығы мен жеңілдігін сақтай отырып, шайырды пішіндеу пластичностьын жетілдіру үшін пайдаланады. Қолдану сценарийлеріне сәйкес оны бірнеше мамандандырылған өнімдерге бөлуге болады. Көміртегі талшықты преформаның өнімділігі соңғы өнімнің механикалық беріктігін, ортаға бейімделу қабілетін және технологиялық тиімділікті тікелей анықтайды. Жоғары дәрежелі өндірістің қажеттілігінің кеңеюімен қоса оның нарықтық көлемі үздіксіз өсуде, 2031 жылға дейін глобалды сатылым 10,57 миллиард доллардан асатын болады. Бұл мақалада көміртегі талшықты преформа сияқты негізгі материал тобының өзіндік құндылығын классификациялық жүйе, негізгі артықшылықтар және технологиялық құндылық деген үш өлшемде толық талдау жасалады.

Негізгі классификация: Өнімнің өнімділігі мен құрылымдық сипаттамаларына сәйкес дәл бөлу

Көміртек талшығының алдын-ала ылғалдануының кең ассортименті бар, ол шайыр түрі, талшық орналасуы және функционалдық сипаттамаларына негізделе отырып, төрт негізгі санатқа бөлінуі мүмкін. Әрбір өнім түрі әртүрлі қолдану сценарийлеріне бағытталған және қайталану дәлдігі әртүрлі талаптарға дәл сәйкес келуі үшін 50%-дан төмен болып қатаң бақыланады.

1. Шайыр түрі бойынша: термореактивті және термопластикалық екі компонентті негізгі жүйе

Бұл Көміртек талшығының алдын-ала ылғалдануының ең негізгі классификациялық өлшемі, онда шайыр қасиеттері өнімнің пісіру әдісі мен қолдану шекарасын тікелей анықтайды

Термореактивті көміртек талшығының прегі: Эпоксидті шайыр, фенолды шайыр және т.б. негізінде жасалады, оған кері қайтарылмайтын үш өлшемді көлденең байланыс құрылымын қалыптастыру үшін қыздырып, қатайту қажет. 2024 жылға дейін ол глобалды нарық үлесінің 75% құрайды. Оның артықшылықтары — қатайғаннан кейінгі механикалық қасиеттердің тұрақтылығында, 2000 МПа-дан астам иілу беріктігінде, талшық көлемінің үлесін (±1% қателікпен) жоғары дәлдікпен басқару мүмкіндігінде және өте қатаң өнім тұрақтылығын талап ететін әуежаңдықтық жүкті көтеретін конструкциялық элементтерге (мысалы, ұшақтың қанаты, зымыран кабинасы) бейімделуінде. Алайда, қалыптау циклі ұзақ (әдетте 1-4 сағат) және қайта өңдеудің қиындығы сияқты шектеулері де бар.

Термопластикалық көміртегі талшығының прегі: Полиэфирэфиркетон (PEEK) және полипропилен (PP) сияқты балқитын шайырлардан жасалған, ол жылуды жұмсарту мен суықта қату қасиеттерін кері айналдыруға ие, 2024 жылы 25% құрайды және тез өсуде. Негізгі артықшылықтары - пішіндеу циклі қысқа (термореактивтіден 50% қысқа), қайта өңделуі мүмкін және әсерге төзімділігі жоғары (80 кДж/м² астам тесік әсерінің беріктігі), жаңа энергиялық көлік корпус бөлшектері мен электрондық құрылғылар корпусы үшін негізгі материал болып табылады. Tesla Model S Plaid және басқа да модельдер зертханада кеңінен қолданылады.

2. Талшықтардың орналасуы: бір бағыттағы және тоқыма құрылымдар арасындағы құрылымдық өнімділік айырмашылықтары

Талшықтардың орналасуы Көміртегі талшықтың прегінің бағытталған механикалық қасиеттерін анықтайды және әр түрлі кернеу сценарийлеріне сәйкес келеді:

Бір бағытты көміртегі талшықтары бар прег: талшықтар бір бағытта (99,8% сақталатын бағыттылықпен) реттеліп орналасқан және осьтік механикалық қасиеттер толығымен іске қосылған. Созылу беріктігі 2600 МПа-дан аса жете алады, алайда кең тараған модуль класстарына 24T, 30T, 36T, 40T және т.б. жатады. Бұл өнім әдетте ұшақтың құйрық жүзі, жел қозғалтқышының негізгі жапырақтары сияқты жүк көтеретін құрылымдардың негізгі материалы болып табылады. Көп бағытты қабаттама конструкциясы арқылы күрделі жүк көтеру талаптарын орындау мүмкін болады, ал беткі тығыздық 67 г/м²-ден 335 г/м²-ге дейінгі толық спецификациялық диапазонды қамтиды.

Көміртегі талшықтарын тоқу: Көміртегі талшықтары жазық тоқыма, твил тоқыма, жаккард тоқыма және басқа да тәсілдермен тоқылады, соның арқасында механикалық қасиеттер екі бағытта да біркелкі таралады. 1K, 3K, 6K, 12K сияқты әртүрлі талшық шоғырының сипаттамалары әртүрлі мәнерлерді жасауға мүмкіндік береді. Мысалы, 3K диагональды өнімдері ұсақ мәнерге ие және автомобиль ішін безендіру үшін сәйкес келеді; 12K жазық тоқыма өнімі ерекше қаттылыққа ие және өнеркәсіптік жабдықтардың рамалары үшін қолданылады. Беткі тығыздықты 100 г/м²-ден 480 г/м²-ге дейін тапсырыс бойынша баптауға болады.

3. Функционалды сипаттамалар негізінде тапсырыс бойынша туынды санаттар: арнайы сценарийлер

Ерекше ортаның талаптарына жауап ретінде Көміртегі талшықтарын алдын ала пропиткалау бірнеше функционалдық бағыттарды қамтиды:

Жоғары температураға төзімді көміртек талшықты прег: модификацияланған эпоксидті шайыр немесе полиимидті шайыр қолданылады, ұзақ уақыт пайдалану температурасы 150-300 ℃ дейін жетеді, ал жоғары температурада созылу беріктігінің сақталу деңгейі 85%-дан асады. Ұшақ двигателінің шеткі бөлшектері мен өнеркәсіптік пештің құрылымдық бөлшектері үшін қолданылады.

Жанбайтын көміртек талшықты прег: фосфор мен азот негізіндегі галогенсіз жанбастырғыш қосылған, жануға төзімділік деңгейі UL94 V0 деңгейіне жетеді, жану кезінде түтін тығыздығы мен улылығы төмен. Теміржол көлігі вагондарының ішкі бөлігінде және ғимараттардың өрттен қорғалу элементтерінде кеңінен қолданылады.

Жоғары жиілікті және жоғары жылдамдықты көміртек талшықты прег: шайырдың диэлектрик қасиеттері оптимизацияланған (диэлектрик тұрақтысы ≤ 3,0), сигналды тасымалдау сипаттамалары өте жақсы, 5G базалық станцияларының антенналары мен жоғарғы сапалы серверлердің негізінің негізгі материалдарына айналды.

4. Талшық шоғының сипаттамаларына сәйкес: үлкен және кіші талшық шоғының өнімділік құнын тепе-теңдестіру

Талшық шоғының қалыңдығы өнімнің құны мен қолданылу бағытын анықтайды

Көміртегі талшықты прег (≤ 24K): талшықтар жіңішке және біркелкі, бетіңгі өңдеу сапасы жоғары және механикалық қасиеттері тұрақты. Негізінен әуежаю және жоғары санаттағы спорт заттарында (мысалы, гольф қоңыраулары) қолданылады, бірақ өндіру құны салыстырмалы түрде жоғары.

Көміртегі талшықты прег (≥ 48K): Өндіру тиімділігі жоғары және құны төмен, жел қозғалтқыштарының және ғимараттардың күшейтілуі сияқты үлкен масштабты қолданыстарға сәйкес келеді. 10 МВт-тан жоғары теңізден тыс жел қозғалтқыштарының лопастарына деген сұраныстың өсуі оның нарықтық кеңеюін ынталандырады.

Негізгі артықшылық: Материалдық қасиеттер шекарасын қайта қалыптастырудың алты негізгі құндылығы

Көміртегі талшықты прег деп аталатын материал жоғары сапалы өндірістің "материалдық негізі" болып табылатын себебі — беріктік, жеңілдік, бейімделгіштік және басқа да жақтары бойынша кешенді артықшылықтарының болуы, осы факторлар оның нарықтағы ауыстырылмайтын орнын қамтамасыз етеді.

1. Ең жоғары меншікті беріктік пен меншікті модуль

Көміртегі талшықты прег-тің беріктігі болаттан 6-12 есе жоғары болуы мүмкін, ал оның тығыздығы болаттың төрттен бірін ғана құрайды және оның меншікті беріктігі (беріктік/тығыздық) мырыш қорытпаларынан 5 еседен астам жоғары. Мысалы, 36T модулі бар бір бағыттағы көміртегі талшықты прег-тен жасалған әуе қозғалтқыштардың қанаттары болат қорытпаларымен салыстырғанда 48% жеңілірек және 35% қаттырақ болып келеді, бұл тікелей отын шығынын және ұшу салмағын азайтады. Жел энергетикасы саласында 10 МВт жел турбинасының қанаттары үшін үлкен талшықты көміртегі талшықты прег қолданғаннан кейін жеке қанаттың салмағы 20% азаяды, ал электр энергиясын өндіру тиімділігі 5%-8% артады.

2. Барлық жағдайлардағы экологиялық бейімделгіштік

Барлық түрлі көміртек талшықты прег саңылауының атмосфералық төзімділігі мен тұрақтылығы жоғары: коррозияға төзімділігі жағынан теңіз суының тұзды будауына және химиялық ортаның әсеріне төтеп бере алады және теңіз кемелерінде және химиялық жабдықтарда 15 жылдан астам қызмет ету мерзіміне ие, бұл дәстүрлі металдарға қарағанда 50% ұзақ; ыңғайсыздыққа төзімділігі жағынан автомобильдің шайқалуы мен желдеткіштің айналуы сияқты динамикалық жүктемелер кезінде ыңғайсыздық беріктігінің сақталу деңгейі 88%-дан асады, бұл 80% құрайтын өнеркәсіптік орташа көрсеткіштен существивті түрде жоғары; жылулық тұрақтылығы жағынан термостойкий өнімдердің жылулық ұлғаю коэффициенті тек 1,5 × 10⁻⁶/℃ құрайды және экстремалды температуралық айырмашылық жағдайларында да өлшемдік тұрақтылығын сақтай алады.

3. Жоғары деңгейдегі икемді тапсырыстық мүмкіндік

Көміртегі талшықты прег сәйкес келетін толық өлшемді параметрлерге ие болуы мүмкін: шайыр жүйесі сұранысқа байланысты реттеледі (мысалы, әуежаналар үшін температураға төзімді шайырлар немесе автомобильдер үшін тез қатаятын шайырлар), шайыр мөлшерінің біркелкілігі ±0,5% ішінде қадағаланады; ені 1000 мм-ден 1500 мм немесе одан да кеңірек аралығындағы сипаттамалардың тапсырыс бойынша дайындалуын қолдайды, бұл үлкен бөлшектердің бірнеше рет біріктірілу санын азайтады; функционалдық қасиеттер қажеттілікке қарай біріктірілуі мүмкін, мысалы «жанбайтын + антистатикалық», «жоғары температураға төзімді + коррозияға төзімді» және басқа да қоспа функциялар, осылайша арнайы жағдайлардың көптеген талаптарын қанағаттандырады.

4. Үлкен пішіндеу мен өңдеу қасиеттері

Қыздыру барысында престеу, пішіндеу немесе орамалы процестер болсын, Көміртек Талшықты Препрег жақсы сәйкестікке ие: күшті пластикалық қасиетке ие, қалып пішініне сәйкес кез келген пішіндегі бөлшектерді жасауға болады және пішінделгеннен кейінгі өлшемдік дәлдік қатесі ≤± 0,2 мм; өңдеу процесі таза және экологияға қолайлы, үлкен мөлшерде қалдықтар пайда болмайды және қалдық шығыны 6%-дан аспайды, бұл дәстүрлі металдарды өңдеу кезіндегі 15% қалдық шығынынан едәуір төмен; термопластикалық өнімдер жаппай өндіруді жылдам іске асыруға мүмкіндік береді, жеке партияны пішіндеу уақыты 20-30 минут ішінде бақыланады, бұл автомобиль өнеркәсібінің жылдам қарқынды қажеттіліктеріне сәйкес келеді.

5. Кеңейтілетін функционалдықтың көптүрлілігі

Көміртегі талшықты прег деп аталатын материалдардың негізгі механикалық қасиеттерінен басқа функционалдық қасиеттері де бар: әскери жабдықтар корпусы үшін пайдалануға болатын, жоғары электромагниттік экранның болуы; Электрондық құрылғылардың жылу шашыратқыш бөлшектері үшін қолайлы, жақсы жылу өткізгіштік (жылу өткізгіштік 150 Вт/(м·К) дейін жетеді); Рентген сәулелеріне ыңғайлы, медициналық жабдықтар саласында ерекше қолданыс табады; Автомобиль шассилері мен өнеркәсіптік станоктардың жұмыс істеу кезіндегі дірілін және тозуын азайтуға мүмкіндік беретін, ерекше дірілді тежеу қасиеті.

6. Ұзақ мерзімді тиімділіктің артықшылықтары

Көміртегі талшықты препрегтің бастапқы сатып алу құны салыстырмалы түрде жоғары болса да, оның толық өмірлік цикл құнының артықшылығы елеулі: теміржол көлігі саласында бұл материалды вагон бөлшектері үшін қолдану вагондардың салмағын машинасына 300 кг-ға төмендетіп, пойызға жылына шамамен 50000 кВт·сағ электр энергиясын үнемдеуге мүмкіндік береді; Өнеркәсіптік жабдықтар саласында оның коррозияға төзімділігі техникалық қызмет көрсетудің жиілігін азайтады және жабдықтардың тоқтауын 40% -ға дейін төмендетеді; Термопластикалық өнімдердің қайта өңделуі шикізат қалдықтарын одан әрі азайтуға мүмкіндік береді және жасыл өндірістің бағытына сәйкес келеді.

Процестік сату нүктесі: шикізаттан дайын өнімге дейінгі дәл бақылау мен құндылықты арттыру

Көміртегі талшықты препрегтің үздіксіздігі оның дәл өндіріс процесі мен қатаң сапа бақылауында. Оның технологиялық жүйесі өнімнің тұрақтылығын қамтамасыз етіп қана қоймай, сонымен қатар өнімнің сапасы мен құны арасында оптималды тепе-теңдікті қамтамасыз етеді.

1. Негізгі өндіріс процесі: Қыздыру әдісі мен ерітіндіге малыстыру әдісінің екі еселі кепілдігі

Екі негізгі технологиялық процестің әрқайсысы өзіндік ерекшеліктері бар және өнімнің орнына байланысты икемді түрде таңдалуы мүмкін:

• Қыздыру процесі: Шайырдың тұтқырлығы жылу арқылы төмендетіледі (әдетте 80-120 ℃ дейін қыздырылады), содан кейін шайыр қыздырылатын престеу вальцы арқылы көміртек талшығының бетіне біркелкі етіп жағылады. Бұл процестің негізгі артықшылығы — шайыр мөлшерін дәл бақылау (қателік ± 0,5%), еріткіш қалдығының болмауы, соңғы өнімнің механикалық қасиеттерінің тұрақтылығын қамтамасыз етеді және әсіресе әуежаңдық қолданыстағы жоғары сапалы көміртек талшықты преигрек өндіру үшін қолайлы. Алайда, талшық деформациясынан сақтану үшін температураны және қысымды дәл бақылау қажет.
• Ерітіндімен импрегнациялау процесі: Шайыр органикалық еріткіште (мысалы, ацетонда) ерітіледі, бұл тұтқырлықты төмендетеді. Көміртек талшығы импрегнациялық резервуар арқылы шайырды толығымен сіңіргеннен кейін, еріткіш қыздыру каналы арқылы буданады. Бұл үдерістің инвестициялық құны төмен, өндіріс үдерісі қарапайым және төменгі санаттағы көміртек талшықты прег деп аталатын өнімдерді үлкен көлемде шығаруға сәйкес келеді. Еріткіш қалдықтарының мәселесін шешу үшін өнеркәсіп көпсатылы ыстық ауамен кептіру және вакуумдық алу технологиясын қолданады, осылайша қалдық еріткіш мөлшерін 0,1%-дан төмендетіп, өнімнің беріктігін тиімді түрде қамтамасыз етеді.

2. Негізгі үдеріс бақылау нүктелері: өнімнің өнімділігін анықтайтын төрт негізгі буын

Көміртек талшықты прег құрамының сапасы бүкіл үдеріс бақылауына байланысты, оның ішінде төрт буын ерекше маңызды:

• Талшық бетін өңдеу: Тотығу және байланыстырушы агенттермен қаптау сияқты үдерістерді қолдану көміртегі талшық пен шайыр арасындағы интерфазалық байланыс беріктігін арттырады, интерфазалық жылу беріктігін 38%-дан астам арттырады және дәстүрлі өнімдерде жиі кездесетін қабаттасу мәселесін шешеді.
• Шайыр формуласының оптимизациясы: Әуе қозғалтқыштарға соққыға төзімділікті арттыру үшін серпінділік қоспаларды қосу немесе электрондық шайырларға сигналдарды таратуды оптимизациялау үшін төменгі диэлектрлі толтырғыштарды енгізу сияқты қолдану орындарына қарай шайыр құрамын реттеңіз, шайыр мен талшық қасиеттері үйлесімді болатынына көз жеткізіңіз.
• Сіңіру параметрлерін бақылау: Импрегнациялау жылдамдығын (әдетте 5-15 м/мин аралығында реттеледі), қысымды (0,5-1,5 МПа) және температураны реттеу арқылы шайырдың әрбір көміртегі талшыққа біркелкі сіңуін қамтамасыз етіңіз және жергілікті желім жетіспеушілігінен туындайтын әлсіз орындарды болдырмаңыз.
• Суыту және иіру: Преимпрегнацияланған материалды шайыр тез қатпайтындай етіп температураны біртіндеп төмендету (80 ℃-ден қайтаң температураға дейін) қажет; орамалы кернеуді 50-100 Н аралығында ұстау өнімнің бүгілулерсіз және талшықтардың ретті орналасуын қамтамасыз етеді.

3. Процесті жаңарту тенденциясы: Өнімді жаңартуды түрғызып отыратын үш негізгі бағыт

Өнеркәсіп процесс жаңалау арқылы Көміртек Талшықты Преимпрегның өнімділігін және пайдалылық құнын жақсартуды жалғастырып келеді:

• Автоматтандырылған өндіріс желісі: Компьютерлік көру жүйесін қолданып, талшықтардың орналасуы мен шайырдың таралуын нақты уақыт режимінде бақылау, ақауларды анықтау деңгейі 99,9% құрайды, бұл қолжазба тексеруден 10 есе тиімді, сериялық өндірістің біркелкілігін қамтамасыз етеді.
• Көпосьілік қабаттасу технологиясы: 0°, 90°, ±45° сияқты бірнеше бағытта талшықтарды синхронды түрде импрегнациялауға қол жеткізетін көп осьті көміртек талшығының препрегін өндіру желісін дамыту, сонымен қатар реттеу процесін азайту және өндірістік тиімділікті 40% арттыру.
• Қоршаған ортаны қорғау процесін зерттеу және дамыту: Еріткішсіз импрегнация процестерін және қоршаған ортаға әсерін азайту үшін биологиялық шайырларды қолдануды насихаттау, сонымен қатар «екі еселенген көміртегі» мақсатында термопластикалық өнімдерді қайта өңдеу процестерін дамыту.