كيف يمكن لألياف الكربون أن تلبي تلبية المطالب الفنية للمواد عالية الأداء في حقول متعددة؟

لماذا يصبح شعر ألياف الكربون هو الخيار المفضل للمواد عالية الأداء في مختلف الحقول

شعرت ألياف الكربون ، مع خصائصها المركبة ذات الوزن الخفيف ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، والقوة العالية ، أصبحت بديلاً رئيسيًا للمواد التقليدية في حماية البيئة ، والطاقة ، والفضاء ، وغيرها من الحقول. تنبع مزاياها الأساسية من بنيتها الفريدة وتكوينها: شبكة مسامية تتشكلها ألياف الكربون المتشابكة غير المنضبط لا تحتفظ فقط بالقوة العالية لألياف الكربون نفسها (قوة الشد تصل إلى 3000MPa أو أكثر) ولكنها تمتلك أيضًا نفاذية الهواء الممتازة والاستفادة بسبب مسامتها (عادة 40 ٪ -80 ٪). فيما يتعلق بالوزن ، فإن ألياف الكربون شعرت بكثافة تتراوح بين 1.6-2.0 جم/سم ، أقل من ربع الفولاذ ، ومع ذلك يمكنها تحمل درجات الحرارة فوق 2000 ℃ ، تجاوز حد مقاومة الحرارة للمواد المعدنية. هذه الخاصية تجعلها مناسبة لتطبيقات الترشيح عالية درجة الحرارة (مثل معالجة غازات المداخن الصناعية) ، حيث يمكنها تحمل درجات حرارة غاز المداخن العالية أثناء اعتراض الجسيمات من خلال بنية مسامية. في قطاع الطاقة ، عند استخدامه كركيزة كهربائية للبطارية ، يمكن أن تلبي في وقت واحد احتياجات الموصلية ونفاذية الإلكتروليت. بالإضافة إلى ذلك ، يعرض ألياف الكربون ثباتًا كيميائيًا قويًا للغاية ولا يكاد يتفاعل مع الأحماض أو القلويات باستثناء عدد قليل من المواد المؤكسدة القوية ، مما يجعله مناسبًا للاستخدام على المدى الطويل في البيئات المسببة للتآكل. بالمقارنة مع مواد بديلة مثل Lovible Fiber ، فإنها تتمتع بمقاومة أفضل للإرهاق وهي أقل عرضة للاحتضان والكسر بعد الإجهاد المتكرر ، وبالتالي احتلال موقف لا يمكن الاستغناء عنه في التطبيقات الراقية التي تتطلب كل من الأداء وطول العمر.

اختبار الكفاءة وتطبيق ألياف الكربون المحسوس في ترشيح الدخان عالية درجة الحرارة

في سيناريوهات ترشيح الدخان عالية درجة الحرارة مثل الأفران الصناعية وحرق النفايات ، يجب التحقق من كفاءة الترشيح واستقرار ألياف الكربون من خلال اختبارات موحدة. تتمثل طريقة الاختبار الشائعة الاستخدام في "تجربة محاكاة غازات المداخن عالية الحرارة": إصلاح عينة من ألياف الكربون سميكة من 5 إلى 10 مم في جهاز ترشيح ، وإدخال غاز محاكاة محاكاة تحتوي على جزيئات بقطر من 0.1-10μm (تم تعيين درجة الحرارة إلى 800-1200 ℃ ، معدل التدفق 1.5-2M/s) وقياس تركيز الجسيمات قبل الترشيح بعد 24 ساعة. المعيار المؤهل هو أن كفاءة الترشيح للجزيئات التي تزيد عن 0.3μm هي ≥99 ٪ ، وأن الزيادة في مقاومة الترشيح لا تتجاوز 30 ٪ من القيمة الأولية. في التطبيقات العملية ، يجب اختيار طرق المعالجة وفقًا لتكوين غاز المداخن: بالنسبة لغازات المداخن التي تحتوي على غازات حمضية (مثل ضباب حمض الكبريتيك) ، يجب استخدام ألياف الكربون المعالجة بالسلان لتعزيز مقاومة التآكل من خلال تعديل السطح ؛ بالنسبة للسيناريوهات التي تحتوي على جزيئات دهنية ، يجب معالجة الجسم المحسوس بطبقة مسعور لتجنب انسداد المسام. أثناء التثبيت ، يجب تحويل مشاعر ألياف الكربون إلى أكياس مرشح مطوية لزيادة مساحة الترشيح مع تقليل مقاومة الهواء ، مع تباعد 10-15 سم بين أكياس المرشح لضمان مرور موحد من غاز المداخن. أثناء الاستخدام ، يجب إجراء التنظيف العالي في درجات الحرارة الخلفية (باستخدام الهواء المضغوط 200-300 ℃ لتطهير عكسي) كل 3-6 أشهر لإزالة الجسيمات المرفقة على السطح والحفاظ على استقرار كفاءة الترشيح.

التحليل المقارن لمقاومة التآكل بين شعر ألياف الكربون والألياف الزجاجية

ينعكس الفرق في مقاومة التآكل بين شعر ألياف الكربون والألياف الزجاجية بشكل أساسي في الاستقرار الكيميائي والقدرة على التكيف البيئي ، ويجب أن يعتمد الاختيار على الخصائص المتوسطة لسيناريو الاستخدام. في البيئات الحمضية (مثل معالجة مياه الصرف الصناعية مع الرقم الهيدروجيني 2-4) ، يظهر ألياف الكربون مزايا كبيرة: مكونها الرئيسي هو الكربون ، الذي يحتوي على الخمول الكيميائي القوي. عندما يكون التلامس طويل الأجل مع الأحماض غير المؤكسدة مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك ، فإن معدل فقدان الوزن أقل من 1 ٪ سنويًا ، في حين أن الألياف الزجاجية ستؤدي إلى تآكلها (تحتوي على ثاني أكسيد السيليكون) من قبل الحمض بسبب رابطة السيليكون-الأكسجين ، مع معدل فقدان الوزن من 5 ٪-8 ٪ سنويًا. في البيئات القلوية (مثل أنظمة إزالة الكبريت في غاز المداخن مع درجة الحموضة 10-12) ، فإن مقاومة التآكل بين الاثنين متشابهة نسبيًا ، لكن ألياف الكربون تتمتع بقدرة أفضل على مكافحة التغذية-ستفقد ألياف الألياف الجماهيرية تدريجياً من الصلابة في الألياف على المدى الطويل. بالنسبة للبيئات التي تحتوي على الفلوريدات (مثل معالجة غاز النفايات في خلايا كهربائية مصنع الألومنيوم) ، فإن تحمل ألياف الكربون هو أعلى بكثير من شعر الألياف الزجاجية ، لأن أيونات الفلوريد سوف تتفاعل مع السيليكون في الزجاج لتشكيل غاز فلوريد السيليكون ، مما يؤدي إلى تحلل المواد ، في حين أن ألياف الكربون لا تتفاعل معها. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتأثر ألياف الكربون بالكاد في المذيبات العضوية (مثل التولوين والأسيتون) ، في حين أن طلاء الراتنج للألياف الزجاجية قد يذوب ، مما يؤدي إلى بنية فضفاضة.

النقاط الرئيسية في المعالجة وتكنولوجيا القطع لألياف الكربون محسوسة ركائز قطب البطارية

عند معالجة ألياف الكربون التي تشعر بها في ركائز قطب البطارية ، تؤثر دقة القطع والمعالجة السطحية بشكل مباشر على أداء الإلكترود ، مما يتطلب التحكم الصارم في تفاصيل العملية. قبل القطع ، يجب معالجة ألياف الكربون مسبقًا: ضعها مسطحة في بيئة مع درجة حرارة 20-25 ℃ والرطوبة من 40 ٪ -60 ٪ لمدة 24 ساعة للقضاء على الإجهاد الداخلي في المادة وتجنب التزييف بعد القطع. يجب استخدام آلات القطع بالليزر للقطع ، مع ضبط طاقة الليزر على 50-80W وسرعة القطع 50-100 مم/ثانية. يمكن أن تتجنب هذه الطريقة سفك الألياف الحافة الناتجة عن القطع الميكانيكية ، وفي الوقت نفسه ، يتم ذوبان الحافة المتطورة على الفور بسبب درجة حرارة عالية لتشكيل حافة مغلقة ناعمة ، مما يقلل من شوائب الألياف في الاستخدام اللاحق. يجب التحكم في خطأ حجم القطع في ± 0.1 مم ، وخاصة بالنسبة للركائز المستخدمة في البطاريات الرقمية. سيؤدي انحراف الحجم المفرط إلى سوء محاذاة القطب ويؤثر على كفاءة تفريغ الشحن. بعد القطع ، يلزم معالجة تنشيط السطح: انقع ألياف الكربون المحسوسة في محلول حمض النيتريك 5 ٪ -10 ٪ ، وعلاجه في 60 ℃ لمدة ساعتين ، وأخذها واشطفها بالماء منزوع الأيونات حتى تصبح محايدة. بعد التجفيف ، يمكن زيادة عدد مجموعات الهيدروكسيل السطحية بأكثر من 30 ٪ ، مما يعزز قوة الترابط مع المواد النشطة للإلكترود. يجب أن تكون الركيزة المعالجة مغلفة بالأقطاب الكهربائية في غضون 48 ساعة لتجنب تدهور النشاط السطحي بسبب التعرض على المدى الطويل.

التأثير على قانون ألياف الكربون التي شعرت بسمك طبقة العزل على تأثير العزل الحراري

عندما يتم استخدام ألياف الكربون كطبقة عزل من المعدات ذات درجة الحرارة العالية ، فإن العلاقة بين سمكها وتأثير العزل الحراري غير خطية ، ويجب أن يتم تصميمها علمياً وفقًا لدرجة حرارة العمل للمعدات. في النطاق من درجة حرارة الغرفة إلى 500 ℃ ، يتحسن تأثير العزل الحراري بشكل كبير مع زيادة سمك: عندما يزداد السمك من 5 مم إلى 20 مم ، يتناقص الموصلية الحرارية من 0.05W/(M · K) إلى 0.02W/(M · K) ، وزيادة أداء العزل الحراري بنسبة 60 ٪ ، لأن زيادة سماكة المسار الوكري ، ومرحلة مادة. عندما تتجاوز درجة الحرارة 800 ℃ ، يضعف تأثير السماكة على تأثير العزل الحراري-عند الزيادة من 20 مم إلى 30 ملم ، تنخفض الموصلية الحرارية بنسبة 5 ٪ إلى 8 ٪ فقط ، لأن الإشعاع الحراري يصبح وضع نقل الحرارة الرئيسي في درجات حرارة عالية ، وزيادة سمك ببساطة تأثير محدود على انتقال الحرارة الإشعاعي. في التطبيقات العملية ، يجب اختيار الهياكل المركبة وفقًا لدرجة حرارة العمل: يمكن استخدام طبقة واحدة من ألياف الكربون أقل من 500 ℃ ، بسمك 10-15 ملم ؛ بالنسبة إلى 800-1200 ℃ ، يلزم وجود بنية مركبة من "طبقة عاكسة من ألياف الكربون" ، أي أن كل ألياف الكربون 10 مم مطابقة لطبقة عاكسة رقائق الألومنيوم ، والتي تستخدم الطبقة العاكسة لمنع الإشعاع الحراري. في هذا الوقت ، يمكن أن يحقق السماكة الكلية التي يتم التحكم فيها عند 20 إلى 25 ملم التأثير المثالي ، وسمك الزائد سيزيد من حمولة المعدات. أثناء التثبيت ، من الضروري التأكد من أن طبقة العزل سلسة ، مع تداخل 5-10 مم في المفاصل ، وتثبت مع خياطة خيط مقاومة للدرجات الحرارة العالية لمنع الهواء الساخن من الاختراق من خلال الثغرات.

طرق التنفيذ لتعزيز قوة ألياف الكربون التي تشعر بها من خلال المعالجة الكيميائية

لتعزيز قوة ألياف الكربون من خلال المعالجة الكيميائية ، من الضروري تبني عملية تعاطي التشريب لتعزيز الهيكل الكلي ، بهدف قوة الترابط الضعيفة بين أليافها. طريقة شائعة الاستخدام هي معالجة التشريب في الراتنج: حدد راتنج الايبوكسي المقاوم للدرجات الحرارة العالية (مقاومة درجة الحرارة ≥200 ℃) ، امزجها مع عامل المعالجة بنسبة 10: 1 ، وأضف كمية مناسبة من الأسيتون لتخفيفها إلى لزوجة من 500-800MPa · s ، تنغمس تمامًا في ألياف الكربون في ذلك. تأكد من أن الراتنج يخترق بالكامل المسام. أخرجه وضغطه على أسطوانة للتحكم في محتوى الراتنج إلى 30 ٪-40 ٪ من الوزن المحسوس (سيزيد الزائد من الوزن ، في حين أن عدم كفاية سيحد من تأثير التعزيز) ، ثم قم بتقطيعه مسبقًا في فرن عند 120 ℃ لمدة ساعة واحدة ، ثم تسخينه إلى 180 ℃ للعلاج لمدة ساعتين ، بحيث تشكل الثقة هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد. بعد هذا العلاج ، يمكن زيادة قوة الشد من ألياف الكربون بنسبة 50 ٪ -80 ٪ ، وتحسن مقاومة الدمعة بشكل أكبر. بالنسبة للسيناريوهات التي تتطلب قوة أعلى ، يمكن استخدام معالجة تعديل الأنابيب النانوية الكربونية: نقع ألياف الكربون المحسوس في تشتت الأنابيب النانوية الكربونية (تركيز 0.5 ٪ -1 ٪) ، وإجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة لجعل الأنابيب النانوية الكربونية تلتصق بسطح الألياف ، ثم تربع في 800 ℃ لمدة ساعة واحدة تحت حماية الغاز الخامل. ستشكل الأنابيب النانوية الكربونية هيكل "سد" بين الألياف ، مما يزيد من تحسين القوة مع الحفاظ على مقاومة درجة الحرارة العالية للمادة. تحتاج ألياف الكربون المعالجة إلى خضوع اختبار القوة لضمان أن تكون قوة الشد ≥50MPa ، وتلبية متطلبات المحمل الهيكلي.