Sve o ugljičnom vlaknu i kako je napravljeno

Nazivaju se i grafitnim vlaknima ili grafitnim ugljenikom, ugljična vlakna sastoji se od vrlo tankih niti elementa ugljika. Ta vlakna imaju visoku vlačnu čvrstoću i izuzetno su jaka za svoju veličinu. U stvari, jedan oblik ugljičnih vlakana - the ugljikova nanocjevčica— Smatra se najjačim dostupnim materijalom. Ugljična vlakna aplikacije uključuju konstrukciju, inženjering, zrakoplovni prostor, vozila visokih performansi, sportsku opremu i glazbene instrumente. U području energije, ugljična vlakna koriste se u proizvodnji vjetrenjača vjetrenjača, skladištenja prirodnog plina i gorivnih ćelija za transport. U zrakoplovnoj industriji primjenjuje se u vojnim i komercijalnim zrakoplovima, kao i u bespilotnim letjelicama. Za istraživanje nafte koristi se u izradi platformi i cijevi za duboko bušenje.

Brze činjenice: Statistika karbonskih vlakana

Ugljična vlakna izrađena su od organskih polimera, koji se sastoje od dugih nizova molekula koje zajedno drže atomi ugljika. Većina ugljičnih vlakana (oko 90%) načinjena je iz procesa poliakrilonitrila (PAN). Mala količina (oko 10%) proizvedena je iz regije ili postupka vađenja naftne nafte.

Plinovi, tekućine i drugi materijali koji se koriste u procesu proizvodnje stvaraju specifične efekte, kvalitete i kvalitete ugljičnih vlakana. Proizvođači karbonskih vlakana koriste vlasničke formule i kombinacije sirovina za materijale koje proizvode i općenito, ove specifične formulacije tretiraju kao poslovne tajne.

Ugljična vlakna najvišeg stupnja s najučinkovitijim modulom (konstanta ili koeficijent koji se koristi za izražavanje numeričkog stupnja do koja tvar posjeduje određeno svojstvo, poput elastičnosti) svojstva se koriste u zahtjevnim primjenama kao što su svemirska.

Stvaranje ugljičnih vlakana uključuje i kemijske i mehaničke procese. Sirovine, poznate kao prekursori, uvlače se u duge niti, a zatim se zagrijavaju na visoke temperature u anaerobnom (bez kisika) okolišu. Umjesto da gori, ekstremna vrućina uzrokuje da atomi vlakana vibriraju tako snažno da se gotovo svi atomi bez ugljika protjeraju.

Nakon dovršetka procesa karbonizacije, preostala vlakna se sastoje od dugih, dobro zatvorenih lanaca ugljikovog atoma s malo ili bez ugljikovih atoma. Ta se vlakna nakon toga tkaju u tkaninu ili kombiniraju s drugim materijalima koji se zatim namotavaju ili oblikuju u željene oblike i veličine.

Sljedećih pet segmenata tipično je za PAN postupak proizvodnje ugljičnih vlakana:

1. Predenje. PAN se pomiješa s ostalim sastojcima i ulije u vlakna, koja se potom isperu i razvlače.
2. Stabilizacija. Vlakna su podvrgnuta kemijskoj izmjeni radi stabilizacije vezivanja.
3. karbonizacije. Stabilizirana vlakna zagrijavaju se do vrlo visoke temperature formirajući čvrsto povezane kristale ugljika.
4. Obrada površine. Površina vlakana se oksidira radi poboljšanja svojstava vezivanja.
5. Dimenzioniranje. Vlakna su presvučena i namotana na kalupe, koji su učitani na strojeve za predenje koji vlakna uvijaju u različite pređe. Umjesto da bude utkana u tkanine, vlakna se također mogu formirati u mješavina materijali pomoću topline, pritiska ili vakuuma za vezanje vlakana zajedno s plastičnim polimerom.

Ugljične nanocjevčice proizvode se različitim postupkom od standardnih ugljičnih vlakana. Procjenjuje se da je 20 puta jači od svojih prethodnika, nanocjevčice su kovane u pećima koja koriste lasere za isparavanje čestica ugljika.

Proizvodnja ugljičnih vlakana nosi niz izazova, uključujući:

• Potreba za ekonomičnijim oporavkom i popravkom
• Neodrživi troškovi proizvodnje za neke primjene: Na primjer, iako je nova tehnologija u fazi razvoja zbog Zabranjeni troškovi, upotreba ugljičnih vlakana u automobilskoj industriji trenutno je ograničena na visoke performanse i luksuz vozila.
• Postupak površinske obrade mora biti pažljivo reguliran kako bi se izbjeglo stvaranje jama koji rezultiraju neispravnim vlaknima.
• Potrebna je uska kontrola kako bi se osigurala dosljedna kvaliteta
• Pitanja zdravlja i sigurnosti, uključujući iritaciju kože i disanja
• Streljanje i kratke hlače u električnoj opremi zbog jake elektroprovodljivosti ugljičnih vlakana

Kako se tehnologija ugljičnih vlakana i dalje razvija, mogućnosti za ugljična vlakna samo će se diverzificirati i povećavati. Na Massachusetts Institute of Technology nekoliko studija koje se usredotočuju na ugljična vlakna već pokazuju mnogo obećanja za stvaranje nove proizvodne tehnologije i dizajna u susret industriji u nastajanju zahtijevajte.

MIT izvanredni profesor strojarstva John Hart, pionir nanocjevčice, surađuje sa svojim studentima na transformaciji tehnologija za proizvodnju, uključujući pregled novih materijala koji će se koristiti zajedno sa 3D pisačima komercijalne klase. "Zamolio sam ih da potpuno razmisle o tračnicama; ako mogu zamisliti trodimenzionalni pisač koji nikada nije izrađen ili koristan materijal koji se ne može ispisati pomoću trenutačnih pisača ", objasnio je Hart.

Rezultati su bili prototipi koji su tiskali rastopljeno staklo, sladoled od mekog serviranja - i kompozite od ugljičnih vlakana. Prema Hartu, studentski timovi također su stvorili strojeve koji su mogli podnijeti "paralelno istiskivanje polimera velike površine" i obavljati "in situ optičko skeniranje" procesa tiskanja.

Uz to, Hart je surađivao s MIT-ovim izvanrednim profesorom kemije Mirceom Dincom na nedavno zaključenoj trogodišnjoj suradnji s Automobili Lamborghini istražiti mogućnosti novih karbonskih vlakana i kompozitnih materijala koji jednog dana mogu ne samo "omogućiti čitavo tijelo automobila kao akumulatorski sustav ", ali dovode do" lakših, jačih tijela, učinkovitijih katalitičkih pretvarača, tanjih boja i poboljšanog prijenosa topline s električnim pogonom [ukupno]. "

Uz ovako fantastične provale na horizont, nije ni čudo što se predviđa da tržište ugljičnih vlakana poraste s 4,7 dolara milijardu u 2019. godini na 13,3 milijarde dolara do 2029. godine, sa složenom godišnjom stopom rasta (CAGR) od 11,0% (ili malo višom) u istom razdoblju vrijeme.

• McConnell, Vicki. "Izrada karbonskih vlakana." CompositeWorld. 19. prosinca 2008
• Sherman, Don. "Iza karbonskih vlakana: Sljedeći je probojni materijal 20 puta jači." Automobil i vozač. 18. ožujka 2015
• Randall, Danielle. “Istraživači MIT-a surađuju s Lamborghinijem kako bi razvili električni automobil budućnosti„. MITMECHE / U vijestima: Odjel za kemiju. 16. studenog 2017
• "Tržište ugljičnih vlakana po sirovinama (PAN, Pitch, Rayon), Vrsta vlakana (Djevica, Reciklirano), Vrsta proizvoda, Modul, Primjena (Kompozitna, nekompozitna), industrija krajnje uporabe (istraživanje i razvoj, automobilska industrija, energija vjetra) i regija - globalna prognoza do 2029. " MarketsandMarkets ™. Rujna 2019. godine