탄소섬유재료의 기술적 분석 - 지식

다음은 원자 구조, 제조 공정, 기계적 특성 및 주요 응용 분야를 다루는 탄소 섬유 소재에 대한 포괄적이고 기술적인 분석입니다.-

Carbon Fiber Structural Architecture,AI 生成 탄소 섬유 구조 아키텍처. 출처:VectorMine / Getty 이미지

1. 탄소섬유란?

탄소섬유(또는 흑연 섬유)은 직경이 5~10마이크로미터인 얇은 탄소 원자 가닥으로 구성됩니다. 고성능-탄소 섬유는 중량 기준으로 최소 90%의 탄소가 섬유의 장축에 평행하게 배열된 미세한 결정으로 서로 결합되어 있습니다.

주요 구조적 사실:흑연 층의 방향 정렬은 탄소 섬유의 세로 축을 따라 매우 높은 강도-대-중량 비율을 제공하여 강철 및 알루미늄과 같은 기존 금속보다 성능이 뛰어납니다.

탄소 섬유의 강도는 2-차원 육각형 평면 시트(그래핀과 유사)를 형성하는 $sp^2$ 혼성 탄소 원자에서 비롯됩니다. 이 시트는 함께 접혀 미세결정질 구조를 형성합니다.

탄소 섬유는 주로 이를 생성하는 데 사용되는 전구체 재료에 따라 분류됩니다.

PAN-기반(폴리아크릴로니트릴):상업 생산량의 90% 이상을 차지합니다. 높은 인장 강도와 우수한 구조적 신뢰성을 제공합니다.

피치-기반:석유 또는 콜타르 피치로부터 생산됩니다. 일반적으로 인장 강도는 낮지만 매우 높은 강성(인장 탄성률)과 열 전도성을 제공합니다.

레이온-기반:역사적으로 중요하지만 낮은 탄소 수율(~20~25%)로 인해 현재는 거의 사용되지 않습니다.

액체 전구체 폴리머를 구조적 탄소 섬유로 변환하는 데에는 5가지 주요 단계가 포함됩니다.

1.회전:전구체 형성.

폴리아크릴로니트릴(PAN) 분말은 용매와 혼합되어 연속 필라멘트(토우)로 회전된 다음 늘어나서 내부 폴리머 사슬을 정렬합니다.

2. 안정화:열 교차-연결(200도 – 300도).

전구체 섬유는 공기 중에서 가열됩니다. 산소 결합은 선형 분자 사슬을 사다리-와 같은 고리 구조로 변환하여 후속 단계에서 녹는 것을 방지합니다.

3.탄화:비-산화 가열(1,000도 – 1,500도).

섬유는 불활성 분위기(질소)에서 가열됩니다. 비-탄소 원자(수소, 질소, 산소)가 배출되어 단단히 결합된 탄소 고리가 남습니다.

4. 표면 처리:접착력 향상.

섬유 표면은 전해조를 통해 산화되어 화학적 고정 부위를 생성하고 수지 매트릭스와의 강력한 기계적 결합을 보장합니다.

5. 크기 조정:보호 코팅.

에폭시를 직조하거나 함침시키기 전에 취급 중 가닥 손상을 방지하기 위해 보호 폴리머 코팅(사이징)이 적용됩니다.

구조적 성능을 평가하기 위해 탄소 섬유는 일반적으로 에폭시 매트릭스에 내장되어탄소섬유 강화 폴리머(CFRP).

초-경량:밀도는 강철의 1/5, 알루미늄의 2/3입니다.

높은 내식성:대부분의 산, 염기 및 유기 용매에 화학적으로 불활성입니다.

낮은 열팽창:열팽창 계수(CTE)가 거의 -0에 가까워 정밀 광학 및 우주 응용 분야에 이상적입니다.

높은 피로 수명:수백만 번의 반복 하중에서도 구조적 무결성을 유지합니다.

이방성:기계적 강도는 주로 섬유의 길이에 따라 존재합니다. 오프{0}}축 강도에는 다방향 직조 또는 라미네이팅이 필요합니다.

부서지기 쉬운 실패:사전 소성 변형 없이 치명적인 파손이 발생할 때까지 거의-선형 탄성 반응을 나타냅니다.

높은 비용 및 재활용 복잡성:에너지-집약적인 제조 및 어려운-소비 후 열경화성 매트릭스 재활용.