Как углеродное волокно превращается из нефти/битума в "черное золото"?

Можете ли вы поверить? Основа ракетки чемпионов Олимпийских игр, способных бить по волану со скоростью 300 км/ч, корпуса автомобилей Формулы-1, разгоняющихся с 0 до 100 км/ч за 2,3 секунды, и внешние оболочки космических ракет, преодолевающих атмосферу, — всё это создано на основе отходов нефтепереработки, так называемого «чёрного остатка»?

Сегодня мы рассмотрим удивительный взлёт углеродного волокна — «лидера» среди материаловедения. Узнайте, как скромный нефтяной асфальт преодолел бесчисленные испытания, чтобы превратиться в «чёрное золото», ценность которого выше стоимости серебра!

Почему его называют «чёрным золотом»?
Прежде чем отправиться в этот путь трансформации, давайте сначала ответим на фундаментальный вопрос: почему углеродное волокно часто сравнивают с золотом?
(1) Его цена действительно «достойна золота»: стандартное углеродное волокно стоит несколько тысяч юаней за килограмм, а высококачественное волокно аэрокосмического класса может стоить до 20 000 юаней за килограмм — дороже серебра (примерно 5 юаней за грамм).

(2) Выдающиеся характеристики: масса всего лишь четверть от массы стали, при этом прочность в десять раз выше; устойчиво к коррозии в сильных кислотах и не становится хрупким при температуре -180 °C.

(3) Ее дефицит действительно впечатляет: только около дюжины стран в мире обладают технологией массового производства, а высококачественное углеволокно классифицируется как «стратегический материал» — его трудно приобрести, даже если очень хочется.

Этот «универсал» происходит из асфальта — побочного продукта нефтепереработки — подобно тому, как добывают алмазы из угольных пластов, и каждый этап этого процесса полон чудес.

Из асфальта в углеволокно: пятиступенчатый процесс «алхимии», в котором нельзя пропустить ни одного шага!

Шаг первый: выбор материала — лучшее из лучшего: высококачественный битум
Не всякий битум способен на возрождение. Битум, который мы обычно используем для строительства дорог, содержит слишком много примесей и имеет низкое содержание углерода, что делает его непригодным. Только «специальный битум» с высокой чистотой, высоким содержанием углерода (90%) и низким содержанием серы и металлов может использоваться для производства углеволокна.

Инженеры используют экстракцию растворителем, чтобы «помыть» асфальт: погружают его в специализированные растворители для фильтрации примесей, таких как сера, азот и тяжелые металлы, подобно просеиванию песка. Затем перегонка улучшает его молекулярную структуру, придавая ему потенциал вытягиваться в нити и выдерживать высокие температуры.

Этот этап напоминает отбор спортсменов: только те, у кого «прочный фундамент», могут выдержать последующую интенсивную подготовку.

Шаг второй: прядение — вытягивание «золотых нитей», в десять раз тоньше волоса.
Очищенный битум нагревают до 200–300 °C, превращая в вязкий «расплав» по консистенции напоминающий мёд. Затем этот расплав продавливают через «решётку фильер» с множеством крошечных отверстий — диаметром всего 5–50 микрометров (по сравнению с 50–100 микрометрами у человеческого волоса), тоньше, чем игла для вышивания!

Асфальтовые нити, экструдируемые через эти отверстия, сразу же погружаются в холодную воду или охлаждённый воздух для «охлаждения и закрепления», образуя непрерывные «асфальтовые нитевидные жгуты». Этот этап требует исключительного технического мастерства: даже незначительно более высокая скорость экструзии приводит к обрыву нитей; немного более низкие температуры охлаждения делают их хрупкими; даже одно заблокированное отверстие может сделать всю партию нитей непригодной.

Можно сравнить это с «искусственным производством коконов шелкопряда», только экструдированная «нить» в десять раз тоньше шелка.

Шаг третий: Предварительное окисление — надевание на нить «огнезащитного костюма»
Только что вытянутая асфальтовая нить — очень хрупкая вещь: она рвётся при малейшем усилии и воспламеняется от малейшей искры. Чтобы сделать её прочной и устойчивой, первым шагом необходимо сделать её огнестойкой.

Сырой жгут помещают в печь, нагретую до 150–300 °C, где он медленно нагревается на воздухе в течение нескольких часов. В ходе этого процесса атомы водорода и кислорода постепенно удаляются из асфальтового волокна. Его молекулярная структура переходит из линейной в сетчатую, а цвет меняется с чёрного на тёмно-коричневый. Главное — оно становится огнестойким!

Этот этап ни в коем случае нельзя пропускать: если пропустить стадию предварительного окисления и сразу перейти к высокотемпературной обработке, асфальтовое волокно мгновенно сгорит, и все предыдущие усилия будут напрасны. Кроме того, скорость нагрева должна быть медленной; её ускорение приведёт к «неравномерному внутреннему напряжению» внутри волокна и образованию трещин.

Шаг четвёртый: Карбонизация — высокотемпературная очистка для получения «чистого углеродного скелета»
Сырой филамент, теперь покрытый «огнезащитным покрытием», должен пройти «окончательное испытание» в карбонизационной печи. Эта печь работает при температурах от 1000 до 1800 °C и должна поддерживать среду, свободную от кислорода (в противном случае углерод окислился бы до углекислого газа).

При этих экстремальных температурах последние следы неперекарбонизированных элементов (таких как водород и азот) внутри филамента «выделяются» в виде газов. В результате остаётся почти чистый углерод (содержание углерода 90 %), молекулярная структура которого переупорядочивается в упорядоченные «кристаллы, подобные графиту». На этом этапе «асфальтовый филамент» официально становится «предшественником углеродного волокна»!

Температура карбонизации напрямую определяет стоимость углеродного волокна: обычное промышленное углеродное волокно может быть получено при температуре около 1000 °C, тогда как для авиационного класса требуются температуры свыше 2000 °C. Это приводит к более упорядоченному расположению углеродных кристаллов и многократному увеличению прочности, что естественным образом повышает цену.

Шаг пятый: обработка поверхности — создание соединений для углеродного волокна
Свежекарбонизированное углеродное волокно имеет поверхность, гладкую как стекло, которая склонна «скользить» при соединении с такими материалами, как смола или металл — примерно как два гладких стеклянных листа, прижатых друг к другу, но легко разделяющихся с щелчком. Затем обработанное углеродное волокно сплетают в ткань (упомянутая ранее ткань из углеродного волокна) или нарезают на короткие волокна, формируя «основной каркас» композиционных материалов.
На этом завершается двух-трёхмесячное «превращение», начавшееся с битума.

Эти малоизвестные факты неизвестны 90 % людей!

1. Не весь углеродный волокно производится из нефтяного пека: наряду с нефтяным пеком, для производства углеродного волокна также могут использоваться поливинилнитрил (PAN) и вискозное волокно. Углеродное волокно на основе PAN составляет 90 % мирового производства, тогда как волокно на основе пека лучше подходит для высокотехнологичных применений с высокой прочностью.

2. Производство одной тонны углеродного волокна требует 20 тонн сырья: от пека до углеродного волокна коэффициент выхода падает ниже 5 %. Неудивительно, что оно такое дорогое.

3. Китай разрушил монополию: ранее высококачественное углеродное волокно контролировалось Европой, Америкой и Японией. Сейчас Китай достиг массового производства углеродного волокна марки T1100 (аэрокосмического класса), которое стоит на 30 % дешевле импортного.

Какое углеродное волокно продукты вам встречалось?
Углеродное волокно на самом деле совсем не чуждо нашей повседневной жизни: помимо аэрокосмической промышленности и автогонок, оно теперь используется в каркасах дорогих велосипедов, руках дронов и даже корпусах мобильных телефонов.

Вы сталкивались с изделиями из углеродного волокна в повседневной жизни? Или какие будущие применения этого материала вы можете себе представить? Поделитесь своими мыслями в комментариях!

Скромный нефтяной асфальт за несколько месяцев претерпел удивительную трансформацию, превратившись в «чёрное золото», лежащее в основе высокотехнологичного производства. За этим стоит неустанное стремление бесчисленных инженеров к точности на уровне миллиметров, а также постоянные усилия человечества расширять границы материаловедения. В следующий раз, когда вы встретите изделие из углеродного волокна, возможно, вы вспомните: всё это началось всего лишь с отходов нефтепереработки.