Tabla de Contenidos
Włókno węglowe , zwane również włóknem grafitowym, jest włóknem syntetycznym złożonym z bardzo drobnych włókien o średnicy od 5 do 10 mikronów, polimeru, którego głównym elementem jest węgiel. Włókno węglowe uzyskuje się poprzez tkanie i przetwarzanie tysięcy tych cienkich włókien. Włókna te mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie, dzięki czemu są niezwykle wytrzymałe jak na swoją grubość. Jedna forma włókna węglowego, nanorurka węglowa, jest uważana za najmocniejszy materiał, jaki można wytworzyć. Generalnie włókna węglowe mają właściwości zbliżone do stali, choć są znacznie lżejsze, a ich gęstość jest zbliżona do drewna czy tworzywa sztucznego.
Istnieje wiele zastosowań włókien węglowych: w budownictwie, technologii lotniczej, w pojazdach o wysokich osiągach, w różnych zastosowaniach inżynieryjnych, w sprzęcie sportowym, w instrumentach muzycznych.
Włókna węglowe mają różne zastosowania związane z energią, takie jak produkcja łopat turbin wiatrowych; Stosowane są również w systemach magazynowania gazu ziemnego i akumulatorach elektrycznych do pojazdów. W przemyśle lotniczym materiał ten wykorzystywany jest zarówno w samolotach komercyjnych, jak i wojskowych, a także w bezzałogowych statkach powietrznych. Są również wykorzystywane do produkcji platform i rur do głębinowych poszukiwań i eksploatacji ropy naftowej.
Włókna, z których składa się włókno węglowe, składają się z polimerów organicznych: długich łańcuchów związków węgla, które powstają w wyniku powtarzającego się łączenia tej samej cząsteczki, zwanej monomerem . Większość włókien węglowych, około 90%, jest wykonana z poliakrylonitrylu (PAN). Ten polimer jest generowany z akrylonitrylu lub propylenonitrylu (C3H3N ) w reakcji pokazanej na poniższym rysunku .
Specyficzne warunki procesów wytwarzania materiału nadają mu szczególne właściwości włókien węglowych. Niektóre z tych warunków to stosowane surowce, temperatury procesów (niektóre etapy przeprowadzane są w piecach w wysokich temperaturach) czy atmosfera, w której są wytwarzane (część procesów odbywa się bez dostępu tlenu). Procesy produkcyjne są zastrzeżone dla ich producentów, więc różne aspekty procesu są tajemnicą handlową. Najwyższej jakości włókno węglowe, o najbardziej efektywnym module sprężystości, jest używane w najbardziej wymagających zastosowaniach, takich jak przemysł lotniczy.
Procesy wytwarzania włókien węglowych
Produkcja włókien węglowych łączy procesy chemiczne i mechaniczne. Surowiec będący prekursorem włókien węglowych jest wytwarzany w postaci cienkich włókien, które są następnie podgrzewane do wysokich temperatur w atmosferze beztlenowej (beztlenowej). Wysokie temperatury powodują wydalanie z materiału wszystkich atomów, które nie są węglem. W ten sposób w procesie karbonizacji powstaje włókno złożone głównie z atomów węgla w długich łańcuchach, będące produktem przeplatania się pierwotnych włókien. Włókna te można następnie tkać lub mieszać z innymi materiałami w celu wytworzenia innego rodzaju włókien lub formować w różne kształty i rozmiary. Zobaczmy poniżej sekwencję procesów związanych z produkcją włókien węglowych.
przędza . Poliakrylonitryl jest mieszany z innymi składnikami i przędzony we włókna, które rozwijają się po praniu.
stabilizacja . Włókna przechodzą procesy chemiczne, które stabilizują związki.
karbonizacja . Włókna stabilizowane są podgrzewane do bardzo wysokich temperatur, od 1000 do 2500 stopni Celsjusza przez długi czas, w atmosferze beztlenowej. W ten sposób generowana jest krystalizacja węgla w związku o wysokiej spójności.
Obróbka powierzchni . Powierzchnia włókien jest utleniana, aby poprawić wiązanie między włóknami podczas późniejszego splatania.
ukształtowany . Włókna są poddawane obróbce i nawijane na szpule, które są ładowane do maszyn, które skręcają je we włókna o różnej grubości i właściwościach mechanicznych. Włókna te mogą być używane do tkania tkanin lub łączone z innymi materiałami, takimi jak polimery termoplastyczne, w procesach wykorzystujących ciepło, ciśnienie lub próżnię, w celu uformowania części o określonych formatach i właściwościach.
Nanorurki węglowe są wytwarzane przy użyciu innych procesów niż standardowe włókna węglowe, przy użyciu wiązek laserowych w specjalnych piecach w procesie karbonizacji. Nanorurki mogą osiągać rezystancje dwudziestokrotnie większe niż ich prekursory.
Po zakończeniu serii procesów otrzymane zostaną włókna węglowe, a każde z nich będzie złożone z tysięcy włókien węglowych; liczba włókien ciągłych każdego włókna może wahać się od 1000 do 24 000, co jest cechą produkcyjną, która jest określana w każdym przypadku.
Struktura wytworzonego w ten sposób włókna węglowego będzie podobna do struktury grafitu, który rozwija się w nałożone na siebie warstwy atomów węgla o strukturze krystalicznej, której wzór jest sześciokątny. W przeciwieństwie do grafitu włókno węglowe jest materiałem amorficznym, a nie krystalicznym; atomy węgla są ułożone w arkusze, które przecinają się, co nadaje temu włóknu wyjątkową odporność mechaniczną.
Procesy produkcji włókien węglowych niosą ze sobą szereg zagrożeń i wyzwań. Koszty produkcji są nieosiągalne dla niektórych zastosowań; Na przykład, chociaż jest to technologia rozwijająca się, zaporowe koszty przemysłu motoryzacyjnego ograniczają obecnie stosowanie włókien węglowych w luksusowych pojazdach o wysokich osiągach.
Proces obróbki powierzchni musi być starannie regulowany, aby uniknąć powstawania defektów, które skutkują wadliwymi włóknami. Aby zapewnić jakość produktu, wymagana jest ścisła kontrola procesu. Z kolei procesy te wiążą się z problemami zdrowotnymi i bezpieczeństwem oraz mogą powodować choroby układu oddechowego i naskórka. Włókna węglowe są przewodnikami elektrycznymi, więc mogą generować łuki i zwarcia w sprzęcie elektrycznym, co wiąże się z ryzykiem.
Rozwijająca się technologia
Ponieważ technologia włókna węglowego wciąż ewoluuje, możliwości jej wykorzystania i zastosowania będą się różnicować i zwiększać. W Massachusetts Institute of Technology (MIT) opracowywanych jest kilka badań związanych z produkcją włókien węglowych, które już są obiecujące w tworzeniu nowych technologii produkcji i projektowania, aby sprostać wymaganiom przemysłu.
Profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej MIT, John Hart, pionier w dziedzinie nanorurek, pracuje ze swoimi studentami nad transformacją technologii produkcji, w tym nad znalezieniem nowych materiałów do wykorzystania w drukarkach 3. D reklamy. Hart poprosił swoich uczniów, aby myśleli nieszablonowo, aby wyobrazić sobie drukarki 3D, które mogłyby pracować z nowymi materiałami. Rezultatem były prototypy, które drukowały stopione szkło, lody i kompozyty z włókna węglowego. Zespoły studenckie stworzyły również maszyny zdolne do obsługi równoległego wytłaczania polimerów na dużych powierzchniach , a także przeprowadzania optycznego skanowania procesu drukowania na miejscu .
John Hart pracował z Mirceą Dincą, profesorem nadzwyczajnym chemii na MIT, nad wspólnym projektem z Automobili Lamborghini. Zbadano możliwości opracowania nowych materiałów kompozytowych i włókna węglowego, które pewnego dnia mogłyby pozwolić na wykorzystanie całej karoserii samochodu jako systemu akumulatorów, a także wytwarzać mocniejsze i lżejsze konstrukcje, cieńsze lakiery, mocniejsze katalizatory. transfer w systemie samochodowym.
Biorąc pod uwagę perspektywę tak niesamowitych postępów, nic dziwnego, że przewiduje się, że rynek włókien węglowych wzrośnie z 4,7 miliarda dolarów w 2019 roku do 13,3 miliarda dolarów w 2029 roku.
Źródła
- McConnel, Vicky. Wytwarzanie włókna węglowego . Złożony świat , 2008.
- Sherman, Don. Poza włóknem węglowym: kolejny przełomowy materiał jest 20 razy mocniejszy. Samochód i kierowca, dostęp: wrzesień 2021 r.
- Randall, Danielle. Naukowcy z MIT współpracują z Lamborghini, aby opracować elektryczny samochód przyszłości . MITMECHE/In The News: Wydział Chemii, 2017. Rynek włókien węglowych według surowca (PAN, smoła, sztuczny jedwab), rodzaju włókna (dziewicze, z recyklingu), typu produktu, modułu, zastosowania (kompozytowe, niekompozytowe), końcowego wykorzystanie przemysłu (A&D, motoryzacja, energia wiatrowa) oraz Region — globalna prognoza do 2029 r. MarketsandMarkets™, 2019.
- EurekUwaga! Kurs MIT rzuca wyzwanie studentom, aby wymyślili druk 3D na nowo .
