1. Komposit serat karbon terutama terdiri dari serat karbon berbasis poliakrilonitril dan matriks berbasis resin, dengan keunggulan kinerja yang signifikan
Carbon fiber is a filamentary carbon material, made of organic matrix fibers such as polyacrylonitrile (or asphalt, viscose) by high-temperature decomposition method under inert gas at a temperature above 1000 degrees Celsius (the result is the removal of most elements except carbon), with a diameter of 5-10 microns, and is an inorganic high-polymer with a carbon content of more than 90%
Serat karbon memiliki sifat mekanik yang sangat baik, dan gravitasi spesifiknya kurang dari 1/4 dari baja. Kekuatan tarik komposit serat karbon umumnya di atas 3500MPA, yang 7-9 kali lipat dari baja. Ini adalah serat dengan kekuatan spesifik tertinggi dan modulus spesifik tertinggi di antara serat berkinerja tinggi yang saat ini diproduksi dalam jumlah besar, dan memiliki kepadatan rendah, resistensi korosi, resistensi suhu tinggi, resistensi gesekan, resistensi kelelahan yang tinggi, ratenuasi hadiner, koefisien yang tinggi, koefisien non-magnasi dan termal. efek perisai, dan merupakan bahan strategis yang penting untuk pengembangan pertahanan nasional dan industri militer dan ekonomi nasional. Ini banyak digunakan dalam industri militer, kedirgantaraan, barang -barang olahraga, industri mobil, peralatan energi, peralatan medis, mesin teknik, transportasi, konstruksi dan penguatan strukturalnya.
Serat karbon dapat diklasifikasikan menurut dimensi yang berbeda seperti jenis prekursor, metode manufaktur, dan kinerja. Menurut jenis prekursor, serat karbon dapat diklasifikasikan ke dalam serat karbon berbasis poliacrylonitrile (PAN), berbasis aspal, dan berbasis viscose. Di antara mereka, serat karbon berbasis poliakrilonitril memiliki keunggulan kualitas produk jadi yang sangat baik, proses sederhana, dan sifat mekanik produk yang sangat baik. Sejak kedatangannya pada 1960 -an, ia dengan cepat menempati posisi arus utama, menyumbang lebih dari 90% dari total serat karbon. Saat ini, serat karbon umumnya mengacu pada serat karbon berbasis PAN.
Menurut jumlah serat, serat karbon dapat dibagi menjadi truk kecil dan truk besar, dan menurut sifat mekanik, serat karbon berbasis poliakrilonitril dapat dibagi menjadi empat kategori: tipe kekuatan tinggi, model medium kekuatan tinggi, model tinggi, dan model tinggi berkekuatan tinggi. Serat karbon derek kecil awalnya 1k, 3k, dan 6k, dan secara bertahap dikembangkan menjadi 12k dan 24k. It is mainly used in high-tech fields such as national defense and military industry, as well as sports and leisure products, such as aircraft, missiles, rockets, satellites, fishing gear, golf clubs, tennis rackets, etc. Large tow carbon fiber usually refers to carbon fiber above 48K, including 48K, 60K, 80K, etc., which are mainly used in industrial fields, including textiles, medicine and health, electromechanical, civil Teknik, transportasi dan energi, dll.
Bahan komposit serat karbon terdiri dari bahan matriks dan bahan penguat serat karbon. Melalui komplemen timbal balik dari bahan matriks dan serat karbon dalam kinerja, efek sinergis diproduksi. Kinerja komprehensif bahan komposit serat karbon lebih baik daripada bahan komponen asli dan memenuhi berbagai persyaratan. Bahan komposit serat karbon memiliki karakteristik bobot ringan, sifat mekanik yang baik, desain struktural yang fleksibel, kinerja yang dapat disesuaikan, sumber lebar, dan biaya rendah. Mereka memainkan peran penting dalam pengembangan pertahanan dan militer nasional, dan telah banyak digunakan di berbagai pesawat, drone, rudal, kendaraan peluncuran, dan satelit.
Dalam bahan komposit serat karbon, bahan matriks terutama berbasis resin, menyumbang lebih dari 90% pangsa pasar. Bahan matriks dibagi menjadi dua kategori: logam dan non-logam. Matriks logam yang umum digunakan adalah aluminium, magnesium, tembaga, titanium dan paduannya, dan matriks non-logam terutama adalah resin sintetis, karet, keramik, grafit, karbon, dll. Saat ini, bahan komposit serat karbon terutama pangsa komposit berbasis resin.
2. Setelah dua gelombang pengembangan, bidang aplikasi terus berkembang
Pengembangan serat karbon berasal dari tahun 1950 -an dan 1960 -an. Amerika Serikat, Jepang, dan Inggris adalah yang pertama mengembangkan proses produksi serat karbon. Pada tahun 1958, Roger Bacon dari Union Carbide Corporation di Amerika Serikat memanaskan rayon di Argon dan secara tidak sengaja menghasilkan serat karbon. Sejak itu, potensi bahan serat karbon secara bertahap telah diakui. Pada tahun 1960, Richard Millington dari Hithompson Fiberglass Company (USA) mengembangkan metode untuk meningkatkan kandungan karbon dalam serat rayon menjadi 99 jam%. Pada 1960-an, perusahaan Jepang dan Inggris memimpin pengembangan teknologi laboratorium dari produksi serat karbon berbasis poliacrylonitrile (PAN). Pada tahun 1959, Akio Shindo dari Osaka Institute of Engineering Technology di Jepang berhasil memproduksi serat karbon dengan kandungan karbon sekitar 55wt% menggunakan metode berbiaya rendah; Toray Industries of Japan Pan Carbon Fiber yang diproduksi oleh Jepang pada tahun 1964 dan menandatangani perjanjian lisensi untuk proses PAN dengan Institut Teknologi Teknik Osaka pada tahun 1970. W. Watt, Ln Phillips dan W. Johnson dari Royal Aircraft Corporation dari Inggris yang mengajukan permohonan paten untuk proses manufaktur serat karbon menggunakan serat panci pada tahun 1963; Selanjutnya, Perusahaan Penelitian dan Pengembangan Nasional Inggris memberikan lisensi untuk proses tersebut kepada Rollsroyce, Morganite dan Courtaulds.
Industri material komposit serat karbon dimulai pada tahun 1970 -an dan 1980 -an. Dalam pengembangan teknologi manufaktur serat karbon, Amerika Serikat, Inggris dan Jepang telah bekerja sama eratnya. Pada tahun 1970, Toray menandatangani perjanjian kerja sama dengan Union Carbide Corporation di Amerika Serikat, memperoleh teknologi karbonisasi Union Carbide Corporation di Amerika Serikat, dan Union Carbide Corporation dari Amerika Serikat mewakili produk serat karbon Toray. Pada tahun 1971, Toray mendirikan jalur produksi serat karbon 12 ton dan mulai memproduksi serat karbon T300, dan meluncurkan produk komposit serat karbon komersial pertama - pancing pada tahun 1972. Krisis minyak pada tahun 1973 membuatnya mendesak bagi pesawat terbang untuk mengurangi berat badan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar. Selanjutnya, produsen pesawat seperti Boeing dan Airbus mulai mengeksplorasi penerapan komposit serat karbon. Pada tahun 1982, Boeing 757, Boeing 767 dan Space Shuttle mulai menggunakan serat karbon T300. CFRP telah memasuki aplikasi rekayasa struktur dirgantara, termasuk pesawat militer dan sipil. Pada 1980-an, dengan kapasitas produksi lini tunggal 1.000 ton/tahun, Toray pada dasarnya telah mewujudkan sebagian besar seri produk yang ada, yaitu T300 awal, T800 dan T1000 jangka menengah, dan M60J kemudian. Dengan aplikasi komposit serat karbon yang tersebar luas dalam komponen pesawat, produksi serat karbon kumulatif Toray melebihi 10.000 ton pada tahun 1988.
Komposit serat karbon telah mengalami dua gelombang permintaan, yang pertama didorong oleh bidang kedirgantaraan. Gelombang pertama penerapan komposit serat karbon muncul pada 1990 -an dan 2000 -an, ketika produsen pesawat sipil berhasil dan secara bertahap menggunakan lebih banyak bahan komposit serat karbon untuk memproduksi badan pesawat pesawat terbang, sehingga memenuhi persyaratan maskapai penerbangan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar, mengurangi emisi CO2 dan biaya pemeliharaan, memperluas kehidupan desain, dan mengurangi biaya perakitan. Pada tahun 1990, prepreg CFRP Toray digunakan oleh Boeing untuk struktur badan pesawat utama Boeing 777. Pada tahun 2003, Boeing meluncurkan proyek Boeing 787, menggunakan sejumlah besar CFRP (50wt%) di badan pesawat dan struktur utama; Pada tahun 2005, Airbus meluncurkan proyek A350 XWB, yang juga menggunakan sejumlah besar CFRP (53wt%).
The second wave of demand for carbon fiber composites was driven by non-aerospace industries. Since the 2010s, the application of carbon fiber composites has expanded dramatically from aerospace to non-aerospace industrial uses, and is characterized by large quantities and low costs. In 2007, Zoltek cooperated with wind turbine OEM Vestas to use carbon fiber in wind turbine blades. Compared with blades made of glass fiber composites, the use of carbon fiber composites in 60-meter-long blades is expected to reduce weight by 38%, reduce costs by 14%, and extend blade life. In 2014, Toray acquired Zoltek, a world-leading supplier of large-tow (>50K) Serat karbon, dan kapasitas produksi serat karbonnya akan meningkat menjadi 35.000 ton/tahun.