Analyse approfondie de l'industrie de la fibre de carbone : forte croissance, vaste espace de nouveaux matériaux et piste de haute qualité

La fibre de carbone, connue comme le roi des nouveaux matériaux du 21e siècle, est une perle brillante dans les matériaux.La fibre de carbone (CF) est une sorte de fibre inorganique contenant plus de 90 % de carbone.Les fibres organiques (fibres à base de viscose, de brai, de polyacrylonitrile, etc.) sont pyrolysées et carbonisées à haute température pour former un squelette de carbone.

En tant que nouvelle génération de fibre renforcée, la fibre de carbone possède d'excellentes propriétés mécaniques et chimiques.Il possède non seulement les caractéristiques inhérentes aux matériaux en carbone, mais possède également la douceur et la transformabilité de la fibre textile.Par conséquent, il est largement utilisé dans les domaines de l’aérospatiale, des équipements énergétiques, des transports, des sports et des loisirs.

Légèreté : en tant que nouveau matériau stratégique doté d'excellentes performances, la densité de la fibre de carbone est presque la même que celle du magnésium et du béryllium, soit moins de 1/4 de celle de l'acier.L'utilisation d'un composite de fibre de carbone comme matériau structurel peut réduire le poids structurel de 30 à 40 %.

Haute résistance et module élevé : la résistance spécifique de la fibre de carbone est 5 fois supérieure à celle de l'acier et 4 fois supérieure à celle de l'alliage d'aluminium ;Le module spécifique est de 1,3 à 12,3 fois celui des autres matériaux structurels.

Faible coefficient de dilatation : le coefficient de dilatation thermique de la plupart des fibres de carbone est négatif à température ambiante, 0 à 200-400 ℃ et seulement 1,5 à moins de 1000 ℃ × 10-6/K, pas facile à dilater et à déformer en raison d'un travail élevé. température.

Bonne résistance à la corrosion chimique : la fibre de carbone a une teneur élevée en carbone pur et le carbone est l'un des éléments chimiques les plus stables, ce qui lui confère des performances très stables dans un environnement acide et alcalin, qui peuvent être transformés en toutes sortes de produits chimiques anticorrosion.

Forte résistance à la fatigue : la structure de la fibre de carbone est stable.Selon les statistiques du réseau de polymères, après des millions de cycles d'essais de fatigue sous contrainte, le taux de rétention de résistance du composite est toujours de 60 %, tandis que celui de l'acier est de 40 %, de l'aluminium de 30 % et du plastique renforcé de fibres de verre de seulement 20 %. %-25%.

Le composite de fibre de carbone est le renforcement de la fibre de carbone.Bien que la fibre de carbone puisse être utilisée seule et jouer une fonction spécifique, c’est après tout un matériau fragile.Ce n'est que lorsqu'il est combiné avec le matériau de la matrice pour former un composite de fibre de carbone qu'il peut mieux exploiter ses propriétés mécaniques et supporter plus de charges.

Les fibres de carbone peuvent être classées selon différentes dimensions telles que le type de précurseur, la méthode de fabrication et les performances.

Selon le type de précurseur : à base de polyacrylonitrile (Pan), à base de brai (isotrope, mésophase) ;Base viscose (base cellulose, base rayonne).Parmi eux, la fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (Pan) occupe la position dominante et sa production représente plus de 90 % de la fibre de carbone totale, tandis que la fibre de carbone à base de viscose représente moins de 1 %.

Selon les conditions et méthodes de fabrication : fibre de carbone (800-1600 ℃), fibre de graphite (2000-3000 ℃), fibre de carbone activée, fibre de carbone cultivée en vapeur.

Selon les propriétés mécaniques, elle peut être divisée en type général et type haute performance : la résistance de la fibre de carbone de type général est d'environ 1 000 MPa et le module est d'environ 100 GPa ;Le type haute performance peut être divisé en type haute résistance (résistance 2 000 mPa, module 250 gpa) et modèle haut (module 300 gpa ou plus), parmi lesquels la résistance supérieure à 4 000 mpa est également appelée type à ultra-haute résistance, et le module supérieur à 450 gpa est appelé modèle ultra-haut.

Selon la taille du remorquage, il peut être divisé en petit remorquage et grand remorquage : la fibre de carbone de petit remorquage est principalement 1K, 3K et 6K au stade initial, et progressivement développée en 12K et 24K, qui est principalement utilisée dans l'aérospatiale, le sport et les domaines des loisirs.Les fibres de carbone supérieures à 48K sont généralement appelées fibres de carbone à gros câble, notamment 48K, 60K, 80K, etc., qui sont principalement utilisées dans les domaines industriels.

La résistance à la traction et le module de traction sont deux indices principaux pour évaluer les propriétés de la fibre de carbone.Sur cette base, la Chine a promulgué la norme nationale pour la fibre de carbone à base de PAN (GB/t26752-2011) en 2011. Dans le même temps, en raison de l'avantage absolu de Toray dans l'industrie mondiale de la fibre de carbone, la plupart des fabricants nationaux adoptent également la norme de classification de Toray. pour référence.

1.2 Des barrières élevées apportent une forte valeur ajoutée.L'amélioration des processus et la réalisation d'une production de masse peuvent réduire considérablement les coûts et augmenter l'efficacité.

1.2.1 la barrière technique de l'industrie est élevée, la production de précurseurs est le cœur et la carbonisation et l'oxydation sont la clé

Le processus de production de fibre de carbone est complexe et nécessite des équipements et une technologie de pointe.Le contrôle de la précision, de la température et du temps de chaque maillon affectera grandement la qualité du produit final.La fibre de carbone polyacrylonitrile est devenue la fibre de carbone la plus largement utilisée et la plus productive à l'heure actuelle en raison de son processus de préparation relativement simple, de son faible coût de production et de l'élimination pratique de trois déchets.La principale matière première, le propane, peut être fabriquée à partir de pétrole brut, et la chaîne industrielle de la fibre de carbone PAN comprend un processus de fabrication complet depuis l'énergie primaire jusqu'à l'application terminale.

Une fois le propane préparé à partir de pétrole brut, le propylène a été obtenu par déshydrogénation catalytique sélective (PDH) du propane ;

L'acrylonitrile a été obtenu par ammoxydation du propylène.Le précurseur du polyacrylonitrile (Pan) a été obtenu par polymérisation et filage d'acrylonitrile ;

Le polyacrylonitrile est pré-oxydé, carbonisé à basse et haute température pour obtenir de la fibre de carbone, qui peut être transformée en tissu en fibre de carbone et en préimprégné de fibre de carbone pour la production de composites en fibre de carbone ;

La fibre de carbone est combinée à de la résine, de la céramique et d'autres matériaux pour former des composites de fibre de carbone.Enfin, les produits finaux destinés aux applications en aval sont obtenus par divers procédés de moulage ;

La qualité et le niveau de performance du précurseur déterminent directement les performances finales de la fibre de carbone.Par conséquent, l’amélioration de la qualité de la solution de filage et l’optimisation des facteurs de formation des précurseurs deviennent les points clés de la préparation d’une fibre de carbone de haute qualité.

Selon « Recherche sur le processus de production de précurseurs de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile », le processus de filage comprend principalement trois catégories : le filage humide, le filage à sec et le filage sec et humide.À l'heure actuelle, le filage humide et le filage sec et humide sont principalement utilisés pour produire des précurseurs de polyacrylonitrile au pays et à l'étranger, parmi lesquels le filage humide est le plus largement utilisé.

Le filage humide extrude d'abord la solution de filage du trou de la filière, et la solution de filage entre dans le bain de coagulation sous la forme d'un petit débit.Le mécanisme de filage de la solution de filage de polyacrylonitrile est qu'il existe un grand écart entre la concentration de DMSO dans la solution de filage et le bain de coagulation, et il existe également un grand écart entre la concentration d'eau dans le bain de coagulation et la solution de polyacrylonitrile.Sous l'interaction des deux différences de concentration ci-dessus, le liquide commence à diffuser dans deux directions et se condense finalement en filaments par transfert de masse, transfert de chaleur, mouvement d'équilibre de phase et autres processus.

Dans la production de précurseur, la quantité résiduelle de DMSO, la taille des fibres, la résistance du monofilament, le module, l'allongement, la teneur en huile et le retrait à l'eau bouillante deviennent les facteurs clés affectant la qualité du précurseur.En prenant la quantité résiduelle de DMSO comme exemple, elle a une influence sur les propriétés apparentes du précurseur, l'état de la section transversale et la valeur CV du produit final en fibre de carbone.Plus la quantité résiduelle de DMSO est faible, plus les performances du produit sont élevées.En production, le DMSO est principalement éliminé par lavage, donc le contrôle de la température, de la durée, de la quantité d'eau dessalée et de la durée du cycle de lavage devient un maillon important.

Le précurseur de polyacrylonitrile de haute qualité doit avoir les caractéristiques suivantes : haute densité, haute cristallinité, résistance appropriée, section transversale circulaire, moins de défauts physiques, surface lisse et structure centrale cutanée uniforme et dense.

Le contrôle de la température de carbonisation et d’oxydation est la clé.La carbonisation et l'oxydation constituent une étape essentielle dans la production de produits finaux en fibre de carbone à partir d'un précurseur.Au cours de cette étape, la précision et la plage de température doivent être contrôlées avec précision, sinon la résistance à la traction des produits en fibre de carbone sera considérablement affectée, voire entraînera une rupture de fil.

Préoxydation (200-300 ℃) : dans le processus de préoxydation, le précurseur PAN est lentement et légèrement oxydé en appliquant une certaine tension dans l'atmosphère oxydante, formant un grand nombre de structures annulaires sur la base de la chaîne droite pan, de manière à atteindre l'objectif de résister à un traitement à température plus élevée.

Carbonisation (température maximale non inférieure à 1 000 ℃) : le processus de carbonisation doit être effectué dans une atmosphère inerte.Au début de la carbonisation, la chaîne du pan se brise et la réaction de réticulation commence ;Avec l'augmentation de la température, la réaction de décomposition thermique commence à libérer un grand nombre de petites molécules gazeuses et la structure du graphite commence à se former ;Lorsque la température augmentait encore, la teneur en carbone augmentait rapidement et la fibre de carbone commençait à se former.

Graphitisation (température de traitement supérieure à 2000 ℃) : la graphitisation n'est pas un processus nécessaire à la production de fibre de carbone, mais un processus facultatif.Si un module élastique élevé de la fibre de carbone est attendu, une graphitisation est nécessaire ;Si une haute résistance de la fibre de carbone est attendue, la graphitisation n'est pas nécessaire.Dans le processus de graphitisation, la température élevée permet à la fibre de former une structure de maillage en graphite développée, et la structure est intégrée par étirage pour obtenir le produit final.

Des barrières techniques élevées confèrent aux produits en aval une forte valeur ajoutée, et le prix des composites aéronautiques est 200 fois plus élevé que celui de la soie grège.En raison de la grande difficulté de préparation des fibres de carbone et du processus complexe, plus les produits sont en aval, plus la valeur ajoutée est élevée.Surtout pour les composites de fibre de carbone haut de gamme utilisés dans le domaine aérospatial, parce que les clients en aval ont des exigences très strictes en matière de fiabilité et de stabilité, le prix du produit présente également une croissance multiple géométrique par rapport à la fibre de carbone ordinaire.


Heure de publication : 22 juillet 2021