Hvordan lages karbonfiber?

Karbonfiber , også kalt grafittfiber, er en syntetisk fiber som består av veldig fine filamenter, 5 til 10 mikron i diameter, av en polymer hvis hovedelement er karbon . En karbonfiber oppnås ved å veve og bearbeide tusenvis av disse tynne filamentene. Disse filamentene har høy strekkfasthet, så de er ekstremt sterke for sin tykkelse. En form for karbonfiber, karbon nanorøret, regnes som det sterkeste materialet som kan lages. Generelt har karbonfibre egenskaper som ligner på stål, selv om de er mye lettere, med en tetthet som ligner på tre eller plast.

Det er flere bruksområder for karbonfiber: i konstruksjon, i romfartsteknologi, i høyytelseskjøretøyer, i forskjellige ingeniørapplikasjoner, i sportsutstyr, i musikkinstrumenter.

Karbonfibre har ulike energirelaterte bruksområder, som å lage vindturbinblader; De brukes også i naturgasslagringssystemer og elektriske akkumulatorer for kjøretøy. I luftfartsindustrien brukes dette materialet i både kommersielle og militære fly, så vel som i ubemannede luftfartøyer. De brukes også til produksjon av plattformer og rør for oljeleting og -utvinning på dypt vann.

Filamentene som utgjør karbonfiber består av organiske polymerer: lange kjeder av karbonforbindelser som produseres ved gjentatt forening av det samme molekylet, kalt en monomer . De fleste karbonfibre, rundt 90 %, er laget av polyakrylnitril (PAN). Denne polymeren er generert fra akrylnitril eller propylennitril (C ₃ H ₃ N), i reaksjonen vist i følgende figur.

De spesifikke forholdene i produksjonsprosessene til materialet gir det de spesielle egenskapene til karbonfiber. Noen av disse forholdene er råvarene som brukes, temperaturene i prosessene (noen trinn utføres i ovner ved høye temperaturer) eller atmosfæren de produseres i (en del av prosessene foregår i fravær av oksygen). Produksjonsprosesser er proprietære til produsentene deres, så ulike aspekter av prosessen er forretningshemmeligheter. Karbonfiber av høyeste kvalitet, med den mest effektive elastisitetsmodulen, brukes i de mest krevende bruksområdene, som for eksempel romfartsindustrien.

Produksjonsprosesser for karbonfiber

Produksjonen av karbonfibre kombinerer kjemiske og mekaniske prosesser. Forløperråmaterialet for karbonfibre produseres til tynne filamenter som deretter varmes opp til høye temperaturer i en anaerob (oksygenfri) atmosfære. De høye temperaturene forårsaker utstøting av materialet av alle atomene som ikke er karbon. På denne måten produserer karboniseringsprosessen en fiber som hovedsakelig består av karbonatomer i lange kjeder, produktet av sammenflettet av de originale filamentene. Disse fibrene kan deretter veves eller blandes med andre materialer for å produsere en annen type fiber eller støpes til forskjellige former og størrelser. La oss se nedenfor sekvensen av prosesser involvert i produksjon av karbonfibre.

garn . Polyakrylnitrilet blandes med andre komponenter og spunnes til fibre som folder seg ut etter vask.

stabilisering . Fibrene gjennomgår kjemiske prosesser som stabiliserer forbindelsene.

karbonisering . Stabiliserte fibre varmes opp til svært høye temperaturer, mellom 1000 og 2500 grader Celsius i lange perioder, i en anaerob atmosfære. Dette er hvordan krystalliseringen av karbon genereres i en høy kohesjonsunion.

Overflatebehandling . Overflaten på fibrene oksideres for å forbedre bindingen mellom fibrene ved etterfølgende fletting.

formet . Fibrene behandles og vikles på spoler som lastes inn i maskiner som tvinner dem til fibre med forskjellig tykkelse og mekaniske egenskaper. Disse fibrene kan brukes til å veve stoffer eller kombineres med andre materialer som termoplastiske polymerer i prosesser som bruker varme, trykk eller vakuum, for å danne deler med spesifikke formater og egenskaper.

Karbon nanorør er laget ved hjelp av andre prosesser enn standard karbonfibre, ved bruk av laserstråler i spesielle ovner i karboniseringsprosessen. Nanorør kan nå motstand tjue ganger større enn forløperne deres.

Etter å ha fullført serien av prosesser, vil karbonfibre bli oppnådd og hver av dem vil være sammensatt av tusenvis av karbonfilamenter; antall filamenter av hver fiber kan variere mellom 1000 og 24000, dette er en produksjonskarakteristikk som er spesifisert i hvert enkelt tilfelle.

Strukturen til karbonfiberen som produseres på denne måten vil være lik den til grafitt, som utfolder seg til overlagrede ark av karbonatomer med en krystallinsk struktur hvis mønster er sekskantet. I motsetning til grafitt er karbonfiber et amorft materiale, ikke et krystallinsk; karbonatomene er ordnet i ark som krysser hverandre, noe som gir denne fiberen sin eksepsjonelle mekaniske motstand.

Produksjonsprosesser for karbonfiber har en rekke risikoer og utfordringer. Produksjonskostnadene er uoverkommelige for noen applikasjoner; For eksempel, selv om det er en teknologi i utvikling, begrenser de uoverkommelige kostnadene til bilindustrien for tiden bruken av karbonfiber til høyytelses- og luksusbiler.

Overflatebehandlingsprosessen må reguleres nøye for å unngå generering av defekter som resulterer i defekte fibre. Det kreves streng prosesskontroll for å sikre produktkvalitet. I sin tur er disse prosessene assosiert med helse- og sikkerhetsproblemer, og kan forårsake luftveis- og epidermistilstander. Karbonfibre er elektriske ledere, så de kan generere lysbuer og kortslutninger i elektrisk utstyr, med påfølgende risiko.

En teknologi i utvikling

Ettersom karbonfiberteknologien fortsetter å utvikle seg, vil mulighetene for bruk og anvendelse diversifiseres og øke. Flere studier relatert til produksjon av karbonfiber utvikles ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) som allerede viser løfte i etableringen av nye produksjons- og designteknologier for å møte etterspørselen fra industrien.

MIT førsteamanuensis i maskinteknikk John Hart, en nanorørpioner, har jobbet med studentene sine for å transformere produksjonsteknologi, inkludert å finne nye materialer som skal brukes i 3-skrivere.D-reklame. Hart ba elevene om å tenke utenfor boksen for å se for seg 3D-skrivere som ville fungere med nye materialer. Resultatene var prototyper som trykket smeltet glass, iskrem og karbonfiberkompositter. Studentteam skapte også maskiner som var i stand til å håndtere parallellekstrudering av polymerer med stort område , i tillegg til å utføre optisk skanning på stedet av utskriftsprosessen.

John Hart jobbet med Mircea Dinca, en førsteamanuensis i kjemi ved MIT, på et felles prosjekt med Automobili Lamborghini. Den undersøkte mulighetene for å utvikle nye komposittmaterialer og karbonfiber som en dag kan tillate at hele bilkarosseriet kan brukes som et batterisystem, samt produsere sterkere og lettere strukturer, tynnere maling, sterkere katalysatorer.effektiv og oppnå bedre varme overføring i bilsystemet.

Med utsiktene til slike fantastiske fremskritt er det ikke rart at karbonfibermarkedet anslås å vokse fra 4,7 milliarder dollar i 2019 til 13,3 milliarder dollar i 2029.

Kilder

• McConnell, Vicky. Fremstillingen av karbonfiber . Composite World , 2008.

• Sherman, Don. Beyond Carbon Fiber: Det neste banebrytende materialet er 20 ganger sterkere. Bil og sjåfør, åpnet september 2021.
• Randall, Danielle. MIT-forskere samarbeider med Lamborghini for å utvikle en fremtidens elbil . MITMECHE/In The News: Department of Chemistry, 2017. Karbonfibermarked etter råmateriale (PAN, bek, rayon), fibertype (virgin, resirkulert), produkttype, modul, anvendelse (kompositt, ikke-kompositt), slutt- bruk industri (A&D, bilindustri, vindenergi) og region—global prognose til 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
• EurekAlert! MIT-kurs utfordrer studentene til å finne opp 3D-utskrift på nytt .