Všetko o uhlíkových vláknach a o tom, ako sa vyrába

Nazýva sa aj grafitové vlákno alebo uhlíkový grafit, uhlíkové vlákno pozostáva z veľmi tenkých prameňov uhlíkového prvku. Tieto vlákna majú vysokú pevnosť v ťahu a sú mimoriadne silné pre svoju veľkosť. V skutočnosti jedna forma uhlíkových vlákien - uhlíková nanorúrka—Považuje sa za najsilnejší dostupný materiál. Uhlíkové vlákno aplikácie zahŕňajú stavebníctvo, strojárstvo, letectvo, vysokovýkonné vozidlá, športové vybavenie a hudobné nástroje. V oblasti energetiky sa uhlíkové vlákno používa pri výrobe lopatiek veterných mlynov, skladovania zemného plynu a palivových článkov na prepravu. V leteckom priemysle má uplatnenie vo vojenských aj komerčných lietadlách, ako aj v leteckých dopravných prostriedkoch bez posádky. Na prieskum ropy sa používa pri výrobe vrtných plošín a potrubí na hlboké vody.

Rýchle fakty: Štatistika uhlíkových vlákien

Uhlíkové vlákno je vyrobené z organických polymérov, ktoré pozostávajú z dlhých reťazcov molekúl držaných pohromade atómami uhlíka. Väčšina uhlíkových vlákien (asi 90%) sa vyrába z procesu polyakrylonitrilu (PAN). Malé množstvo (asi 10%) sa vyrába z umelého hodvábu alebo z procesu petrolejovej smoly.

Plyny, kvapaliny a iné materiály používané vo výrobnom procese vytvárajú špecifické účinky, vlastnosti a stupne uhlíkových vlákien. Výrobcovia uhlíkových vlákien používajú vlastné receptúry a kombinácie surovín pre materiály, ktoré vyrábajú, a vo všeobecnosti považujú tieto špecifické prípravky za obchodné tajomstvá.

Najkvalitnejšie uhlíkové vlákno s najúčinnejším modulom (konštanta alebo koeficient používaný na vyjadrenie číselného stupňa k ktoré látka má zvláštnu vlastnosť, napríklad elasticitu), sa používajú v náročných aplikáciách, ako sú napr vzdušný priestor.

Tvorba uhlíkových vlákien zahŕňa chemické aj mechanické procesy. Suroviny, známe ako prekurzory, sa vťahujú do dlhých prameňov a potom sa zahrievajú na vysoké teploty v anaeróbnom prostredí (bez kyslíka). Extrémne teplo namiesto horenia spôsobuje, že atómy vlákna vibrujú tak prudko, že sú vylúčené takmer všetky atómy bez uhlíka.

Po dokončení procesu karbonizácie je zostávajúce vlákno tvorené dlhými, pevne vzájomne prepojenými reťazcami uhlíkových atómov so zvyškom malého alebo žiadneho atómu uhlíka. Tieto vlákna sa následne tkajú do textílií alebo kombinujú s inými materiálmi, ktoré sa potom navíjajú alebo formujú do požadovaných tvarov a veľkostí.

Nasledujúcich päť segmentov je typických v procese PAN na výrobu uhlíkových vlákien:

1. Spriadanie. PAN sa zmieša s inými prísadami a odstredí na vlákna, ktoré sa potom premyjú a napnú.
2. Stabilizuje. Vlákna podliehajú chemickej zmene, aby sa stabilizovalo spojenie.
3. karbonizácie. Stabilizované vlákna sa zahrievajú na veľmi vysokú teplotu a tvoria pevne spojené uhlíkové kryštály.
4. Ošetrenie povrchu. Povrch vlákien je oxidovaný, aby sa zlepšili spojovacie vlastnosti.
5. Dimenzovanie. Vlákna sú potiahnuté a navinuté na cievky, ktoré sú nanesené na spriadacie stroje, ktoré krútia vlákna do priadzí rôznych veľkostí. Skôr než byť tkané do textíliímôžu byť tiež formované vlákna zložený materiály, ktoré používajú teplo, tlak alebo vákuum, aby spojili vlákna spolu s plastovým polymérom.

Uhlíkové nanorúrky sa vyrábajú iným spôsobom ako štandardné uhlíkové vlákna. Odhaduje sa, že 20-krát silnejší ako ich prekurzory, sú nanotrubice kované v peciach, ktoré používajú lasery na odparovanie uhlíkových častíc.

Výroba uhlíkových vlákien prináša množstvo výziev vrátane:

• Potreba nákladovo efektívnejšej obnovy a opravy
• Neudržateľné výrobné náklady pre niektoré aplikácie: Napríklad, aj keď sa vyvíjajú nové technológie V dôsledku neúnosných nákladov je používanie uhlíkových vlákien v automobilovom priemysle v súčasnosti obmedzené na vysoko výkonné a luxusné vozidiel.
• Proces úpravy povrchu musí byť starostlivo regulovaný, aby sa zabránilo vytváraniu jam, ktoré vedú k chybným vláknam.
• Na zabezpečenie stálej kvality je potrebná prísna kontrola
• Otázky zdravia a bezpečnosti vrátane podráždenia kože a dýchania
• Elektrické oblúky a skraty v dôsledku silnej elektro vodivosti uhlíkových vlákien

Keďže sa technológia uhlíkových vlákien neustále vyvíja, možnosti uhlíkových vlákien sa budú diverzifikovať a zvyšovať. V technologickom inštitúte v Massachusetts už niekoľko štúdií zameraných na uhlíkové vlákna vykazuje a veľa prísľubu pri vytváraní nových výrobných technológií a dizajnu, aby vyhovovali rozvíjajúcemu sa priemyslu požadovať.

Docent MIT strojného inžinierstva John Hart, priekopník v oblasti nanotrubíc, pracuje so svojimi študentmi na transformácii technológia výroby vrátane skúmania nových materiálov, ktoré sa majú použiť v spojení s komerčnými 3D tlačiarňami. „Požiadal som ich, aby úplne premysleli koľajnice; keby dokázali predstaviť 3D tlačiareň, ktorá nikdy nebola vyrobená, alebo užitočný materiál, ktorý nemožno vytlačiť pomocou súčasných tlačiarní, “vysvetlil Hart.

Výsledkom boli prototypy strojov, ktoré tlačili roztavené sklo, zmrzlinu na mäkké účely a kompozitné materiály z uhlíkových vlákien. Podľa Hartu študentské tímy tiež vytvorili stroje, ktoré dokážu zvládnuť „veľkoplošné paralelné vytláčanie polymérov“ a vykonať „optické skenovanie in situ“ procesu tlače.

Hart ďalej spolupracoval s MIT docentom chemie Mircea Dinca na nedávno ukončenej trojročnej spolupráci s Automobili Lamborghini preskúmať možnosti nových uhlíkových vlákien a kompozitných materiálov, ktoré by jedného dňa mohli nielen „umožniť použitie celého tela vozidla ako batériový systém “, ale vedú k„ ľahším a pevnejším telesám, účinnejším katalyzátorom, tenšiemu náteru a zlepšenému prenosu tepla v hnacej sústave [celkovo]. ““

S takým ohromujúcim prielomom na obzore sa niet divu, že sa očakáva, že trh s uhlíkovými vláknami porastie zo 4,7 dolárov miliárd v roku 2019 na 13,3 miliárd dolárov do roku 2029 pri zloženej ročnej miere rastu (CAGR) 11,0% (alebo mierne vyššej) za rovnaké obdobie Čas.

• McConnell, Vicki. "Výroba uhlíkových vlákien." CompositeWorld. 19. decembra 2008
• Sherman, Don. "Za uhlíkovými vláknami: Ďalší prielomový materiál je 20-krát silnejší." Auto a vodič. 18. marca 2015
• Randall, Danielle. “Výskumníci MIT spolupracujú s Lamborghini pri vývoji elektrického automobilu budúcnosti. " MITMECHE / In The News: Katedra chémie. 16. novembra 2017
• „Trh s uhlíkovými vláknami podľa surovín (PAN, Pitch, Rayon), typ vlákna (Virgin, recyklovaný), typ produktu, modul, aplikácia (Kompozitné, nekompozitné), priemysel konečného použitia (A & D, automobilový priemysel, veterná energia) a región - globálna predpoveď do roku 2029. “ MarketsandMarkets ™. September 2019