碳化对碳纤维制造

尽管制造工艺的缺陷,世界范围内要求的碳纤维增强塑料复合材料会增加根据独立来源[1,2]。亚博网站下载实际上碳纤维和碳纤维增强塑料分享几乎所有的优势和劣势碳纤维创建将碳纤维增强塑料制成。

许多行业都无法适应碳复合材料在其产品中,因为碳复合材料的高成本。因此,它是必要的,具有成本效益的、高容量的碳纤维制造。这项工作集中于扩展和提高动能碳化模型[3]。

动力学模型集中在纤维质量损失与温度和能源需求驱动这个反应。这个反应模型一起居住,炉温的概要文件和传热模型用于计算炉内的质量损失系统。

这也从碳化预测废气的产生过程。废气成分的变化作为转换的函数没有考虑。模型所示模型扩展到包括不同种类的气体形成的预测在不同温度和纤维是收敛的。

数学模型

哈珀国际创造了碳化过程的连续模型稳定盘包括质量损失率作为一个集总动力学模型使用pseudo-pure尾气和纤维发育模型[3]。

在前面的模型中,废气从纤维在碳化过程中被释放,这被认为是一个合适的气体混合物与固定每个组分的浓度。公司已经加强了前一个模型的适应更现实的瞬时尾气成分,而不是固定浓度废气。

废气的化学成分

哈珀国际选择了最近的工作范教授等。[7]的灵感来自于工作发表的菲德勒et al。[8],处理废气浓度作为纤维保留时间或温度的函数(4 ~ 6)。

范教授最近发表的声明,这个图形工作数据转化为多项式曲线拟合的数学表达式。研究人员提供所有八个尾气成分的累积发射率方程式(27)(34)出版。

而不是直接应用这些数学表达式到哈珀国际模型,他们评估了尾气摩尔分数从累积在指定的温度下发射率和适应这些摩尔分数作为温度的函数。

这个配方方便的挥发释放率模型不仅依赖于纤维的温度还挥发物在纤维的质量。累积之间的关系质量/摩尔发射率和摩尔释放率如下所述:

,倪(T)的摩尔量i物种积累从T, T是温度、Fi (T)是i的摩尔释放率物种,和mi (T)是大规模的i物种累积量T,给出的方程(27)(34)在范教授等人的论文[7],Mw,我是第i个物种的分子量。从这些累积量(即。、镍(T)和/或mi (T)),每个物种的摩尔分数,(T),可以得到以下方程:

图1代表累积摩尔分数,yicum,使用所提供的数学表达式(Pham et al . .之间的比较是累积摩尔分数和原始图形数据从菲德勒et al。然而,发现直接比较是不可能的。菲德勒的数据运行到1000°C,而范教授和同事新在800°C。因此,菲德勒的数据累积摩尔分数成为团结在1000°C (Pham达到统一在800°C。图2显示了范教授估计气体逸出率为每一个物种。

图1所示。累计出口气摩尔分数

图片来源:哈珀

图2。气体逸出率正交锅

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在有效范围内,预测每个气态物种的进化率(图2)是一个光滑函数。然而,eacpolynomial曲线拟合。使用方程(2),摩尔和质量分数都是派生作为温度的函数,说明h开始从一个较低的非零值范围。

这一步改变的浓浓的发作是一种缺陷,如图3所示。也可以从图3指出,多项式拟合的不连续性的结果显示为步骤发生的变化释放气体摩尔分数。这方面的一个例子所示的不连续公司摩尔分数约400°C。

图3。瞬时尾气成分。(一)摩尔分数,(B)质量分数

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焓的计算是很重要的挥发物与准确性,以获得准确的碳化过程吸热反应能量。临界压力和温度的降低压力和温度(1条和300°C)所有尾气成分进行评估。

从这些计算,LT炉内的合理假设,验证了尾气处于理想气体状态[9]。使用Shomate方程,尾气的比焓计算在给定温度和所有Shomate参数为每个化学成分取自NIST数据库[10]。

在碳化过程中质量损失率

碳化过程,包括生产碳纤维从合成前体聚合物,其化学性质很像热降解或热解聚合物。实际的过程是非常复杂的,不能完全理解。锅的线性结构转换为环形结构的氧化过程控制。

在碳化,释放所有其他组侧群消除碳碳键释放的除外。单个步骤集总动力学模型开发了碳化稳定前体的拟合TGA数据在文献[11]。各种潜在的动能表达式中聚合物的降解,前面选择简单的幂律表达式(一阶和二阶)提供了良好的协议与实验工作。

图4展示了残留纤维质量分数与两个实验数据集的初始质量:1。用于拟合的原始数据(从徐et al。修改)和2。额外的数据从菲德勒et al . .从图中,可以观察到两个独立的实验数据显示相对类似的趋势,但释放挥发性的数量总是大于菲德勒的纤维在任何给定的温度。纤维的体积质量损失率是下面的:

V是标本的数量在一个封闭系统,EA活化能,pre-exponent因素,气体常数R。

图4。残留在碳化纤维质量分数:实验数据和拟合

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区纤维模型

与气相相比,纤维的物理性质更为复杂,因为他们是基于不仅温度也转换。此外,碳化可能是一个恒定的一系列化学反应,而不是明显不同的单个进程。two-discretized-zone模型创建了简化和直观的概念描述这个模型如图5所示。

图5。图表的离散2-zome碳化过程的模型

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2-zone模型,碳化的物理性质在任何程度上是使用两个纯粹的状态表示稳定PAN纤维等纤维(白色区域在图5中)和碳化纤维(黑色区域在图5中)并给出它的数学表达式如下:

在下面定义的转换方程5。彝族是i组件的质量分数,和φIφS代表中间纤维和任何特定的物理性质稳定PAN纤维,分别。

在碳化过程中,质量分数和线性密度,也正在改变。下面所示的关系转换为这些属性:

米纤维的质量,下标f代表最终状态,下标o表示初始状态。

尽管这是一个简化模型,但仍难以评估与该模型物理性质,因为它们的属性在一个齐次状态不完全清楚。相信LT炉的产品纤维碳纤维构成,相似的质量损失的继任者设备(HT炉)是相对较低。此外,固体石墨碳纤维构成为前提,尽管碳纤维的杂质(最大5%的非碳原子通常N和少量的H)。

这是很难评估的热力学状态稳定的PAN纤维。氧化程度可能是一个多方面的下列因素的函数,停留时间,加热速度,应用张力,co-monomer,温度在氧化过程中。热力学状态可能是不同的,因为不同的分子结构。

质量和能量平衡

评估纤维的变化阶段,控制体积是集中在固体纤维的转换。

纤维质量哪里,z是纤维方向移动坐标,m”从固体到气体传质通量,L_p周边,_c横截面积,r_米每卷损失质量损失率。

光纤温度变化沿着采取适当的系统可以获得能量平衡。这个结果在基本微分方程提出了方程11。这个方程揭示了纤维与显热能量平衡效果,为进化气体焓变化,传热与环境。

T是温度的纤维,是焓变化每单位质量的气态物质释放,问吗_年代在纤维表面热通量,L_p周长,C_p表示纤维的热容。质量和能量平衡彼此紧密相连,因此他们需要同时解决。

结果

数值模拟过程是通过解决系统的非线性常微分方程方程(10)和(11)动能表达式(3)。四阶RK技术应用为无量纲长度尺度步长为0.001。所有的参数和物理性能,已开发依赖于转换或温度,与四阶RK的技术评估。

基线情况下被选中代表现实当前工业规模系统的操作条件。碳化炉的长度是14米,7同样划分自治加热区和一个线性纤维过程10米/分钟的速度。因此,纤维停留时间是1.4分钟(84秒)。哈珀国际模型创建了纵向一维(纤维移动方向)模型。

炉的高度和宽度都是任意的,和横截面可以是一个随机的形状。然而,所有的操作和几何条件被认为是当代工业碳纤维制造条件。

基线结果

对于基线情况,前体纤维被选为24 k与1.15纤度丝。然而,它需要通知的纤度是新鲜的原料,而不是一个入口条件碳化炉内氧化氧化/稳定烤箱。是说氧化前体可能重或轻线密度基于数量的添加剂等方面,co-monomers,氧化炉的操作条件。

在这里,假设氧化过程包括轻微的线密度降低质量损失(5%)。这个条件,基准的结果表示在图6 ~图9。

图6。纤维纤维为基线情况下旅游方向转换

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图7。归一化局部不稳定的释放率

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纤维如图6所示的转换图有一个转折点:上半年凸、凹在以后的部分。在哈珀国际模型中,挥发性释放率受温度和挥发物在纤维质量。因此,当地不稳定的释放率似乎无数山峰(图7),但基本上它的最大点,最大值点后开始下降。

从这些检查的转换和地方释放率、碳化过程可以说明由三个不同的部分:1。缓慢的开始部分,2。积极转换部分,和3。渐近方法部分。

在缓慢的开始部分,尾气释放率很小,因为温度低,虽然有高含量的挥发物的纤维。相反,释放速度缓慢的渐近方法部分由于挥发物的含量低。光纤温度剖面图(图8)显示了近线性增加微小变化即使热源温度边界条件一步变化。

建立了光纤的温度局部热平衡的结果:1。从热源传热和2。吸热反应热作为能源消耗以及所需的显热。由于传热是大热的反应相比,光纤温度不断增加,除了最后一个区域的温度区域减少。这两个平衡的影响是描绘在图9所示。

在这个地方热影响图,从传热揭示了无数山峰能源供应。在这个模型中,传热模式的关键是炉墙低沉的声音和纤维之间的热辐射。由于纤维进入新的区域,墙和纤维之间的温度差在最高所以它有最大的传热速率。这有点不切实际的温度没有一步变化,但区域之间的转出和更缓慢过渡。

结果随时转移能量大于消耗吸热反应,在纤维和结果增加温度。在这个基线情况下,传热之间的纤维和周围的气体(氮气、尾气,尾气释放纤维)不考虑。

图8。光纤温度(蓝色)和炉温(红色)和炉子的长度

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图9。当地对纤维热影响

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假定场景

不同的长丝纤维牵引

变化是在纤维长丝计数观察温度的敏感性和转换的细丝。图10显示了每一个转换配置文件12 k, 24 k(基线),50 k纤维。轻拖(12 k),最后转换较高,而对于重型牵引(50 k),最终转换小于基线情况(24 k)。最后退出转换窗口约为88% ~ 95%。

尽管温度资料表现出类似的趋势与基线情况下,他们表现出不同的斜坡。一般来说,需要更多的时间完成反应引入了更多的质量。图10 (C)描述了规范化当地尾气释放率。

结果似乎很类似与饲料利率正常化;然而,累积尾气流速图10所示(D)揭示完全不同的废气流率对不同纤维牵引计算。因此,必须排放更多的尾气炉的低沉的声音在沉重的两个操作。低效的删除此尾气炉操作可能导致阻碍,也非均匀最终产品的质量。

图10。结果不同的纤维计数。(A)转换,(B)温度,(C)当地尾气释放率,和(D)累积尾气流率

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阻碍了传热

传热周围的气体是下一个“如果”的场景。周围的气体,混合的尾气和挥发物,不是添加在这个模型中。它可能需要一个CFD模拟完全理解流动死区,流型和地方有关周围的气体传热的影响。

在这个基本的“如果”场景中,简单的传热受阻,因为周围的气体。第一个病例是对流冷却,温度和气体假设一如既往100°C低于光纤温度和10 W / m²之间的对流传热系数K纤维和周围的气体。这种情况,结果如图11所示。分析了光纤温度和转换,这个场景是一个小的效果影响。

图11。结果不同的传热情况。(A)转换,(B)温度,(C)当地尾气释放率,和(D)累积尾气流率

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无意的功率损耗

最后但并非最不重要的如果一个意想不到的功率损耗发生在一个特定的区域。它可以是一个加热元件故障或别的东西,但考虑到意外情况下一个区域的温度下降。两个病例被认为是:1。区温度降低到300°C, 2。区温度降低到300°C。图12描述了结果。可观测到的温度资料,有一个微不足道的最终退出温差温度虽然巨大赤字的区域与基线相比。

相反,不可忽视差异上找到最终的转换。最终退出转换窗口是88% ~ 93%。图12 (B)表明,光纤温度几乎恢复了下一个下游区域的问题区域。

此外,在该区域,尾气释放显示了一个僵硬的增加赶上阻碍转换由于降低了温度区;然而,延迟光纤转换由于意外断电不能赶上基准转换。虽然这里没有显示,有权力要求增加下游区来抵消较低温度区。

图12。结果意外断电情况。(A)转换,(B)温度,(C)当地尾气释放率,和(D)累积尾气流率。

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结论

哈珀国际创造了碳化过程的连续模型稳定的锅,包括质量损失率的集总动力学采用温度依赖的尾气和纤维的发育模型转换。在这对纤维发育模型,认为焦化发生的外部区域和进入中心。

从基线结果与准确的操作条件下,纤维的结果转换概要文件可以解释三个部分(活跃、缓慢、和渐近),而光纤温度有一个大致的线性响应小差距。哈珀国际进行了三种不同的假设情况:1。不同的纤维计数(12 k, 24 k, 50 k), 2。可能阻碍了传热由于废气,和3。无意的功率损耗情况。

转换的结果从一个狭窄的范围内假设例基线情况的结果最后炉系统的渐近转换区域。这个地区并不敏感,因为大规模派系的低挥发性。

然而,退出转换不同纤维7%、3%和5%,分别。设置,在假设研究敏感性对转换从最大到最小灯丝,功率损耗和废气的冷却效果。结束后转换是影响纤维计数(导致一个更大的质量率),随后的纤维可能有不同的属性在处理相同的操作设置。

纤维冷却因为废气的场景中最小的变化引起光纤转换相对于基线情况。尾气冷却影响有点武断,不是基于碳化炉内的流动动力学系统。整合质量流率、速度和就近获得传热系数能更好地预测废气的影响和氮气体。最后的场景被认为是不同的操作温度曲线情况下因为无意的功率损耗。这个场景中得出的结论是,纤维将依赖于纤维的最终转换温度历史虽然最终纤维温度密切可能是相同的。

这种分析即使简化将引发的动能表达式和鼓励开发额外的数据,提高工业炉的设计和性能。进一步的研究需要深入分析检查与纤维和气态阶段,纤维拖内径向变异,变异沿宽度炉这将影响系统的一致性。

确认

我们最诚挚的感谢博士去Srdjan希穆洛维奇(杰出的研究人员,计算机科学和数学,橡树岭国家实验室)为他的富有成效的建议在调试解决常微分方程系统的计算机代码。亚博老虎机网登录

引用

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