Vse o ogljikovih vlaknih in kako je narejeno

Imenujemo ga tudi grafitna vlakna ali ogljikov grafit, karbonska vlakna je sestavljen iz zelo tankih niti ogljika. Ta vlakna imajo visoko natezno trdnost in so zaradi svoje velikosti izjemno močna. Pravzaprav ena oblika ogljikovih vlaken - ogljikova nanocevka- velja za najmočnejši razpoložljivi material. Karbonska vlakna aplikacije vključujejo gradbeništvo, inženiring, vesoljsko, visoko zmogljiva vozila, športno opremo in glasbila. Na področju energije se ogljikova vlakna uporabljajo pri izdelavi rezil vetrnic, skladiščenju zemeljskega plina in gorivnih celic za prevoz. V letalski industriji ima aplikacije tako v vojaških kot komercialnih zrakoplovih, kot tudi brezpilotnih letal. Za raziskovanje nafte se uporablja pri izdelavi ploščadi in cevi za globinsko vrtanje.

Hitra dejstva: statistika ogljikovih vlaken

Ogljikova vlakna so narejena iz organskih polimerov, ki so sestavljeni iz dolgih nizov molekul, ki jih skupaj vodijo ogljikovi atomi. Večina ogljikovih vlaken (približno 90%) je izdelanih iz procesa poliakrilonitrila (PAN). Majhna količina (približno 10%) se proizvede iz rajona ali procesa naftnega naftnega olja.

Plini, tekočine in drugi materiali, ki se uporabljajo v proizvodnem procesu, ustvarjajo posebne učinke, lastnosti in razrede ogljikovih vlaken. Proizvajalci ogljikovih vlaken uporabljajo lastniške formule in kombinacije surovin za materiale, ki jih proizvajajo, in na splošno te posebne formulacije obravnavajo kot poslovne skrivnosti.

Ogljikova vlakna najvišjega razreda z najučinkovitejšim modulom (konstanta ali koeficient, ki se uporablja za izražanje številčne stopnje do katera snov ima določeno lastnost, na primer elastičnost) se uporablja pri zahtevnih aplikacijah, kot so vesoljski.

Ustvarjanje ogljikovih vlaken vključuje tako kemične kot mehanske procese. Surovine, znane kot predhodniki, se vlečejo v dolge niti in nato v anaerobnem (brez kisika) segrejejo na visoke temperature. Namesto da bi goreli, ekstremna vročina povzroči, da atomi vlaken vibrirajo tako silovito, da skoraj vse ogljikove atome izločajo.

Po končanem postopku karbonizacije preostalo vlakno sestavljajo dolge, tesno zaprte verige ogljikovih atomov z malo ali brez ogljikovih atomov. Ta vlakna so naknadno vtkana v tkanino ali kombinirana z drugimi materiali, ki jih nato nitke navijejo ali oblikujejo v želene oblike in velikosti.

Naslednjih pet segmentov je značilnih za postopek PAN za proizvodnjo ogljikovih vlaken:

1. Predenje. PAN zmešamo z drugimi sestavinami in zavrtimo v vlakna, ki jih nato operemo in raztegnemo.
2. Stabilizira. Vlakna so podvržena kemičnim spremembam za stabilizacijo vezave.
3. Karboniziranje. Stabilizirana vlakna se segrejejo na zelo visoko temperaturo in tvorijo tesno povezane kristale ogljika.
4. Obdelava površine. Površina vlaken se oksidira, da izboljša lastnosti lepljenja.
5. Velikost Vlakna so prevlečena in navita na vretence, ki jih naložijo na predilnike, ki vlakna zvijajo v prejo različnih velikosti. Namesto da bi bili vtkan v tkanine, vlakna se lahko oblikujejo tudi v sestavljen materiali, ki uporabljajo toploto, tlak ali vakuum, da vlakna vežejo skupaj s plastičnim polimerom.

Ogljikove nanocevke se proizvajajo po drugačnem postopku kot standardna ogljikova vlakna. Ocenjujejo, da je 20-krat močnejši od predhodnikov, kovinske nanocevke so kovane v pečeh, ki uporabljajo laserje za izhlapevanje ogljikovih delcev.

Proizvodnja ogljikovih vlaken ima številne izzive, vključno z:

• Potreba po stroškovno učinkovitejši obnovi in ​​popravilu
• Neustavljivi proizvodni stroški za nekatere aplikacije: Na primer, čeprav je nova tehnologija v razvoju zaradi: Če gre za omejene stroške, je uporaba ogljikovih vlaken v avtomobilski industriji trenutno omejena na zmogljivosti in luksuz vozil.
• Postopek površinske obdelave je treba skrbno urediti, da se prepreči nastanek jam, ki povzročajo okvarjena vlakna.
• Za zagotovitev dosledne kakovosti je potreben natančen nadzor
• Zdravstvena in varnostna vprašanja, vključno z draženjem kože in dihanja
• Prekrivanje in kratke hlače v električni opremi zaradi močne elektro prevodnosti ogljikovih vlaken

Ker se tehnologija ogljikovih vlaken še naprej razvija, se bodo možnosti za ogljikova vlakna le razširile in povečale. Na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu že kažejo številne študije o ogljikovih vlaknih veliko obljub za ustvarjanje nove proizvodne tehnologije in dizajna za izpolnjevanje nastajajoče industrije povpraševanje.

Izredni profesor za strojništvo MIT John Hart, pionir nanocevk, si s svojimi študenti prizadeva za preoblikovanje tehnologija za izdelavo, vključno z iskanjem novih materialov, ki se uporabljajo v povezavi s 3D-tiskalniki komercialne kakovosti. "Prosil sem jih, naj razmišljajo povsem iz tirnic; če bi lahko zamislili tridimenzionalni tiskalnik, ki še ni bil narejen, ali uporaben material, ki ga ni mogoče natisniti s trenutnimi tiskalniki, "je pojasnil Hart.

Rezultati so bili prototipni stroji, ki so tiskali staljeno steklo, mehki sladoled in kompozite iz ogljikovih vlaken. Po Hartovem mnenju so študentske ekipe ustvarile tudi stroje, ki so lahko upravljali "paralelno ekstrudiranje polimerov z velikimi površinami" in izvajali "in situ optično skeniranje" procesa tiskanja.

Poleg tega je Hart sodeloval z izrednim profesorjem za kemijo MIT Mirceo Dinca pri nedavno zaključenem triletnem sodelovanju z Automobili Lamborghini raziskati možnosti novih ogljikovih vlaken in kompozitnih materialov, ki nekega dne ne bi le "omogočili uporabo celotnega karoserije avtomobila kot baterijski sistem, "vendar vodi do" lažjih, močnejših teles, učinkovitejših katalitičnih pretvornikov, tanjše barve in izboljšanega prenosa toplote na električni pogon [na splošno]. "

Ob tako osupljivih prebojih na obzorju ni čudno, da naj bi trg ogljikovih vlaken predvidoma zrasel s 4,7 USD milijarda v letu 2019 na 13,3 milijarde do 2029 do leta 2029, pri skupni letni stopnji rasti (CAGR) 11,0% (ali nekoliko višja) v istem obdobju čas.

• McConnell, Vicki. "Izdelava ogljikovih vlaken." CompositeWorld. 19. decembra 2008
• Sherman, Don. "Beyond Carbon Fiber: Naslednji prelomni material je 20-krat močnejši." Avto in voznik. 18. marec 2015
• Randall, Danielle. “Raziskovalci MIT sodelujejo z Lamborghinijem pri razvoju električnega avtomobila prihodnosti. " MITMECHE / V novicah: Oddelek za kemijo. 16. november 2017
• "Trg ogljikovih vlaken s surovinami (PAN, Pitch, Rayon), Vrsta vlaken (Virgin, Reciklirano), Vrsta izdelka, Modul, Uporaba (Kompozitna, nekompozitna), končna industrija (raziskave in razvoj, avtomobilska energija, vetrna energija) in regija - globalna napoved do leta 2029. " MarketsandMarkets ™. September 2019