คาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุไฟเบอร์ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95% มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมทางกล เคมี ไฟฟ้า และดีเยี่ยมอื่นๆ มันคือ “ราชาแห่งวัสดุใหม่” และเป็นวัสดุเชิงกลยุทธ์ที่ยังขาดการพัฒนาทางทหารและพลเรือน รู้จักกันในนาม "ทองคำดำ"
สายการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีดังนี้:
คาร์บอนไฟเบอร์แบบเรียวถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร?
เทคโนโลยีกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการพัฒนาและเติบโตเต็มที่แล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้ได้รับความนิยมจากทุกสาขาอาชีพมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติบโตอย่างแข็งแกร่งของการบิน รถยนต์ ราง ใบพัดพลังงานลม ฯลฯ และผลในการขับขี่ การพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ . โอกาสยังกว้างยิ่งขึ้น
ห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งออกเป็นต้นน้ำและปลายน้ำ ต้นน้ำมักหมายถึงการผลิตวัสดุเฉพาะคาร์บอนไฟเบอร์ ปลายน้ำมักจะหมายถึงการผลิตส่วนประกอบการใช้งานคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทที่อยู่ระหว่างต้นน้ำและปลายน้ำอาจมองว่าตนเป็นผู้จัดหาอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ ดังแสดงในรูป:
กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่ไหมดิบไปจนถึงคาร์บอนไฟเบอร์ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์จำเป็นต้องผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น เตาออกซิเดชัน เตาคาร์บอไนเซชัน เตากราไฟท์ การปรับสภาพพื้นผิว และการปรับขนาด โครงสร้างเส้นใยถูกครอบงำด้วยคาร์บอนไฟเบอร์
ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี และอะคริโลไนไตรล์ส่วนใหญ่ได้มาจากการกลั่นน้ำมันดิบ การแตกร้าว การเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนีย ฯลฯ เส้นใยสารตั้งต้นโพลีอะคริโลไนไตรล์ เส้นใยคาร์บอนได้มาจากเส้นใยสารตั้งต้นก่อนออกซิไดซ์และคาร์บอน และวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้มาจากการประมวลผลเส้นใยคาร์บอนและเรซินคุณภาพสูงเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งาน
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการวาด การร่าง การคงตัว การทำให้เป็นคาร์บอน และการสร้างกราฟ ดังแสดงในรูป:
การวาดภาพ:นี่เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ โดยส่วนใหญ่จะแยกวัตถุดิบออกเป็นเส้นใย ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ในระหว่างกระบวนการนี้ การถ่ายโอนมวลและการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวที่ปั่นอยู่และของเหลวที่แข็งตัว และสุดท้ายคือ การตกตะกอนของ PAN เส้นใยสร้างโครงสร้างเจล
การร่าง:ต้องใช้อุณหภูมิ 100 ถึง 300 องศาจึงจะทำงานร่วมกับผลการยืดตัวของเส้นใยที่มุ่งเน้น นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนสำคัญในโมดูลัสสูง การเสริมแรงสูง ความหนาแน่น และความประณีตของเส้นใย PAN
ความเสถียร:สายโซ่แมโครโมเลกุลเชิงเส้น PAN เทอร์โมพลาสติกถูกแปลงเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมคางหมูทนความร้อนที่ไม่ใช่พลาสติกโดยวิธีการให้ความร้อนและออกซิเดชันที่ 400 องศา จึงไม่ละลายและไม่ติดไฟที่อุณหภูมิสูง คงรูปร่างของเส้นใย และ อุณหพลศาสตร์อยู่ในสถานะเสถียร
ถ่าน:จำเป็นต้องขับองค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนใน PAN ออกมาที่อุณหภูมิ 1,000 ถึง 2,000 องศา และสุดท้ายก็สร้างเส้นใยคาร์บอนที่มีโครงสร้างกราไฟท์เทอร์โบสเตรตซึ่งมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90%
การสร้างกราไฟท์: ต้องใช้อุณหภูมิ 2,000 ถึง 3,000 องศาในการแปลงวัสดุคาร์บอนที่ไม่เป็นรูปสัณฐานและเทอร์โบสเตรติกให้เป็นโครงสร้างกราไฟท์สามมิติ ซึ่งเป็นการวัดทางเทคนิคหลักในการปรับปรุงโมดูลัสของคาร์บอนไฟเบอร์
กระบวนการโดยละเอียดของคาร์บอนไฟเบอร์ตั้งแต่กระบวนการผลิตไหมดิบจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปคือ ไหมดิบ PAN ผลิตโดยกระบวนการผลิตไหมดิบก่อนหน้านี้ หลังจากวาดแบบล่วงหน้าด้วยความร้อนเปียกของเครื่องป้อนลวด เครื่องวาดจะถ่ายโอนไปยังเตาก่อนออกซิเดชันตามลำดับ หลังจากอบที่อุณหภูมิไล่ระดับที่แตกต่างกันในกลุ่มเตาพรีออกซิเดชั่น จะเกิดเส้นใยออกซิไดซ์ ซึ่งก็คือ เส้นใยพรีออกซิไดซ์ เส้นใยพรีออกซิไดซ์จะก่อตัวเป็นเส้นใยคาร์บอนหลังจากผ่านเตาคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูง จากนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จะต้องผ่านกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวขั้นสุดท้าย ปรับขนาด ทำให้แห้ง และกระบวนการอื่นๆ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ - กระบวนการทั้งหมดของการป้อนลวดอย่างต่อเนื่องและการควบคุมที่แม่นยำ ปัญหาเล็กน้อยในกระบวนการใด ๆ จะส่งผลกระทบต่อการผลิตที่มั่นคงและคุณภาพของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสุดท้าย การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีขั้นตอนกระบวนการที่ยาวนาน มีประเด็นสำคัญทางเทคนิคหลายประการ และมีอุปสรรคในการผลิตสูง เป็นการบูรณาการสาขาวิชาและเทคโนโลยีที่หลากหลาย
ข้างต้นคือการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ มาดูกันว่าผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้อย่างไร!
การแปรรูปผลิตภัณฑ์ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
1. การตัด
นำพรีเพกออกจากห้องเย็นที่อุณหภูมิลบ 18 องศา หลังจากตื่นขึ้น ขั้นตอนแรกคือการตัดวัสดุอย่างแม่นยำตามแผนผังวัสดุบนเครื่องตัดอัตโนมัติ
2. ปู
ขั้นตอนที่สองคือการวางพรีเพกบนเครื่องมือวาง และวางเลเยอร์ต่างๆ ตามข้อกำหนดการออกแบบ กระบวนการทั้งหมดดำเนินการภายใต้การวางตำแหน่งเลเซอร์
3. การขึ้นรูป
ผ่านหุ่นยนต์จัดการอัตโนมัติ ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกส่งไปยังเครื่องขึ้นรูปสำหรับการขึ้นรูปแบบอัด
4. การตัด
หลังจากการขึ้นรูป ชิ้นงานจะถูกส่งไปยังเวิร์กสเตชันของหุ่นยนต์ตัดสำหรับขั้นตอนที่สี่ของการตัดและลบคม เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของมิติของชิ้นงาน กระบวนการนี้สามารถดำเนินการบน CNC ได้เช่นกัน
5. การทำความสะอาด
ขั้นตอนที่ห้าคือการทำความสะอาดด้วยน้ำแข็งแห้งที่สถานีทำความสะอาดเพื่อขจัดสารลอกออก ซึ่งสะดวกสำหรับกระบวนการเคลือบกาวในภายหลัง
6. กาว
ขั้นตอนที่หกคือการทากาวโครงสร้างที่สถานีหุ่นยนต์ติดกาว ตำแหน่งการติดกาว ความเร็วของกาว และปริมาณกาวทั้งหมดได้รับการปรับอย่างแม่นยำ ส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนโลหะนั้นถูกตรึงซึ่งดำเนินการที่สถานีโลดโผน
7. การตรวจสอบการประกอบ
หลังจากทากาวแล้ว ให้ประกอบแผงด้านในและด้านนอกเข้าด้วยกัน หลังจากที่กาวแข็งตัวแล้ว การตรวจจับแสงสีฟ้าจะดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่ามิติของรูกุญแจ จุด เส้น และพื้นผิวมีความแม่นยำ
คาร์บอนไฟเบอร์นั้นยากต่อการประมวลผลมากขึ้น
คาร์บอนไฟเบอร์มีทั้งความต้านทานแรงดึงสูงของวัสดุคาร์บอนและความสามารถในการแปรรูปแบบอ่อนของเส้นใย คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ยกตัวอย่างคาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กทั่วไปของเรา ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 400 ถึง 800 MPa ในขณะที่ความแข็งแรงของเหล็กธรรมดาคือ 200 ถึง 500 MPa เมื่อพิจารณาจากความแข็งแกร่งแล้ว คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้าโดยพื้นฐานแล้วมีความคล้ายคลึงกัน และไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจน
คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบากว่า ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงสามารถเรียกได้ว่าเป็นราชาแห่งวัสดุใหม่ เนื่องจากข้อได้เปรียบนี้ ในระหว่างการประมวลผลคอมโพสิตเสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เมทริกซ์และเส้นใยจึงมีปฏิสัมพันธ์ภายในที่ซับซ้อน ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพแตกต่างจากของโลหะ ความหนาแน่นของ CFRP นั้นน้อยกว่าโลหะมาก ในขณะที่ความแข็งแรงก็มากกว่าโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของ CFRP การดึงไฟเบอร์ออกหรือการหลุดของไฟเบอร์เมทริกซ์จึงมักเกิดขึ้นในระหว่างการประมวลผล CFRP มีความต้านทานความร้อนสูงและทนต่อการสึกหรอ ซึ่งทำให้ต้องใช้อุปกรณ์มากขึ้นในระหว่างการประมวลผล ดังนั้นจึงเกิดความร้อนจากการตัดจำนวนมากในกระบวนการผลิต ซึ่งส่งผลเสียต่อการสึกหรอของอุปกรณ์มากขึ้น
ในเวลาเดียวกัน ด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ข้อกำหนดจึงมีความละเอียดอ่อนมากขึ้นเรื่อยๆ และข้อกำหนดสำหรับการบังคับใช้วัสดุและข้อกำหนดด้านคุณภาพสำหรับ CFRP ก็มีความเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งยังทำให้เกิดต้นทุนการประมวลผลอีกด้วย จะเพิ่มขึ้น
การประมวลผลแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
หลังจากที่แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการบ่มและขึ้นรูปแล้ว ขั้นตอนหลังการประมวลผล เช่น การตัดและการเจาะ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับข้อกำหนดด้านความแม่นยำหรือความต้องการในการประกอบ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เช่น พารามิเตอร์กระบวนการตัดและความลึกของการตัด การเลือกเครื่องมือและการฝึกซ้อมที่ใช้วัสดุ ขนาด และรูปร่างต่างกันจะมีผลกระทบที่แตกต่างกันมาก ในขณะเดียวกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความแข็งแกร่ง ทิศทาง เวลา และอุณหภูมิของเครื่องมือและการฝึกซ้อมก็จะส่งผลต่อผลการประมวลผลเช่นกัน
ในกระบวนการหลังการประมวลผล พยายามเลือกเครื่องมือที่มีความคมพร้อมการเคลือบเพชรและดอกสว่านโซลิดคาร์ไบด์ ความต้านทานการสึกหรอของเครื่องมือและดอกสว่านจะเป็นตัวกำหนดคุณภาพของการประมวลผลและอายุการใช้งานของเครื่องมือ หากเครื่องมือและดอกสว่านไม่คมเพียงพอหรือใช้ไม่ถูกวิธี ไม่เพียงแต่จะเร่งการสึกหรอ เพิ่มต้นทุนการประมวลผลของผลิตภัณฑ์ แต่ยังทำให้แผ่นเสียหาย ส่งผลต่อรูปร่างและขนาดของแผ่นและ ความมั่นคงของขนาดของรูและร่องบนแผ่น ทำให้เกิดการฉีกขาดเป็นชั้นๆ ของวัสดุ หรือแม้แต่บล็อกพังทลายจนทำให้เกิดการแตกหักทั้งแผ่น
เมื่อเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ยิ่งเร็วเท่าไรก็ยิ่งได้ผลดีเท่านั้น ในการเลือกดอกสว่าน การออกแบบปลายสว่านที่เป็นเอกลักษณ์ของดอกสว่านขอบหน้า PCD8 นั้นเหมาะสำหรับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มากกว่า ซึ่งสามารถเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้ดีขึ้น และลดความเสี่ยงของการหลุดล่อน
เมื่อตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์หนา ขอแนะนำให้ใช้หัวกัดแบบอัดสองคมที่มีการออกแบบขอบขดซ้ายและขวา คมตัดที่คมนี้มีปลายเกลียวทั้งด้านบนและด้านล่างเพื่อสร้างสมดุลแรงในแนวแกนของเครื่องมือขึ้นและลงระหว่างการตัด เพื่อให้แน่ใจว่าแรงตัดที่เกิดขึ้นจะถูกส่งไปยังด้านในของวัสดุ เพื่อให้ได้สภาวะการตัดที่มั่นคงและระงับการเกิดการแยกตัวของวัสดุ การออกแบบขอบรูปเพชรด้านบนและด้านล่างของเราเตอร์ "Pineapple Edge" ยังสามารถตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่องคายเศษลึกสามารถระบายความร้อนในการตัดได้มากผ่านการคายเศษในระหว่างกระบวนการตัด เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อคาร์บอนไฟเบอร์ คุณสมบัติของแผ่นงาน
01 ไฟเบอร์ยาวต่อเนื่อง
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:รูปแบบผลิตภัณฑ์ที่พบมากที่สุดของผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ มัดประกอบด้วยเส้นใยเดี่ยวหลายพันเส้น ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ประเภทตามวิธีการบิด: NT (ไม่เคยบิด, ไม่บิด), UT (ไม่บิด, ไม่บิด), TT หรือ ST ( บิด, บิด) ซึ่ง NT เป็นคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้กันมากที่สุด
แอปพลิเคชันหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุคอมโพสิต เช่น วัสดุคอมโพสิต CFRP, CFRTP หรือ C/C และการใช้งานได้แก่ อุปกรณ์เครื่องบิน/การบินและอวกาศ สินค้ากีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
02 เส้นด้ายเส้นใยหลัก
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:เส้นด้ายใยสั้นสำหรับเส้นใยสั้น เส้นด้ายที่ปั่นจากเส้นใยคาร์บอนสั้น เช่น เส้นใยคาร์บอนที่ใช้พิทช์ทั่วไป มักเป็นผลิตภัณฑ์ที่อยู่ในรูปของเส้นใยสั้น
การใช้งานหลัก:วัสดุฉนวนความร้อน วัสดุต้านการเสียดสี ชิ้นส่วนคอมโพสิต C/C ฯลฯ
03 ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:มันทำจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นด้ายปั่นคาร์บอนไฟเบอร์ ตามวิธีการทอผ้า ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งออกเป็นผ้าทอ ผ้าถัก และผ้าไม่ทอ ปัจจุบันผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มักเป็นผ้าทอ
แอปพลิเคชันหลัก:เช่นเดียวกับคาร์บอนไฟเบอร์ต่อเนื่อง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในวัสดุคอมโพสิต เช่น วัสดุคอมโพสิต CFRP, CFRTP หรือ C/C และขอบเขตการใช้งาน ได้แก่ อุปกรณ์เครื่องบิน/การบินและอวกาศ สินค้ากีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
04 เข็มขัดถักคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:มันเป็นของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ชนิดหนึ่งซึ่งทอจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นด้ายปั่นคาร์บอนไฟเบอร์
การใช้งานหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุเสริมแรงที่ทำจากเรซิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตและการแปรรูปผลิตภัณฑ์ประเภทท่อ
05 คาร์บอนไฟเบอร์สับ
