Hur tillverkas kolfiber?

Kolfiber , även kallad grafitfiber, är en syntetisk fiber som består av mycket fina filament, 5 till 10 mikron i diameter, av en polymer vars huvudelement är kol . En kolfiber erhålls genom att väva och bearbeta tusentals av dessa tunna filament. Dessa filament har en hög draghållfasthet, så de är extremt starka för sin tjocklek. En form av kolfiber, kolnanoröret, anses vara det starkaste materialet som kan tillverkas. I allmänhet har kolfibrer egenskaper som liknar stål, även om de är mycket lättare, med en densitet som liknar trä eller plast.

Det finns flera applikationer för kolfibrer: inom konstruktion, inom flygteknik, i högpresterande fordon, i olika tekniska applikationer, i sportutrustning, i musikinstrument.

Kolfibrer har olika energirelaterade tillämpningar, som att tillverka vindkraftverksblad; De används också i naturgaslagringssystem och elektriska ackumulatorer för fordon. Inom flygindustrin används detta material i både kommersiella och militära flygplan, såväl som i obemannade flygfarkoster. De används också vid tillverkning av plattformar och rör för oljeprospektering och exploatering på djupt vatten.

Filamenten som utgör kolfiber är uppbyggda av organiska polymerer: långa kedjor av kolföreningar som produceras genom den upprepade föreningen av samma molekyl, som kallas en monomer . De flesta kolfibrer, cirka 90 %, är gjorda av polyakrylnitril (PAN). Denna polymer genereras från akrylnitril eller propylennitril (C3H3N), _{i reaktionen} som visas i följande figur .

De specifika förhållandena för tillverkningsprocesserna för materialet ger det de speciella egenskaperna hos kolfibrer. Några av dessa förhållanden är råvarorna som används, processernas temperatur (vissa steg utförs i ugnar vid höga temperaturer) eller atmosfären där de produceras (en del av processerna sker i frånvaro av syre). Tillverkningsprocesser ägs av sina tillverkare, så olika aspekter av processen är affärshemligheter. Kolfiber av högsta kvalitet, med den mest effektiva elasticitetsmodulen, används i de mest krävande tillämpningarna, såsom flygindustrin.

Tillverkningsprocesser för kolfiber

Tillverkningen av kolfibrer kombinerar kemiska och mekaniska processer. Prekursorråvaran för kolfibrer produceras till tunna filament som sedan värms upp till höga temperaturer i en anaerob (syrefri) atmosfär. De höga temperaturerna orsakar utdrivning av materialet av alla atomer som inte är kol. På detta sätt producerar karboniseringsprocessen en fiber som huvudsakligen består av kolatomer i långa kedjor, produkten av sammanflätningen av de ursprungliga filamenten. Dessa fibrer kan sedan vävas eller blandas med andra material för att producera en annan typ av fiber eller formas till olika former och storlekar. Låt oss nedan se sekvensen av processer som är involverade i tillverkningen av kolfibrer.

garn . Polyakrylnitrilen blandas med andra komponenter och snurras till fibrer som vecklas ut efter tvätt.

stabilisering . Fibrerna genomgår kemiska processer som stabiliserar föreningarna.

karbonisering . Stabiliserade fibrer värms upp till mycket höga temperaturer, mellan 1 000 och 2 500 grader Celsius under långa perioder, i en anaerob atmosfär. Det är så kristallisationen av kol genereras i en högkohesionsunion.

Ytbehandling . Ytan på fibrerna oxideras för att förbättra bindningen mellan fibrerna vid efterföljande flätning.

formade . Fibrerna behandlas och lindas på bobiner som laddas i maskiner som vrider dem till fibrer med olika tjocklek och mekaniska egenskaper. Dessa fibrer kan användas för att väva tyger eller kombineras med andra material såsom termoplastiska polymerer i processer som använder värme, tryck eller vakuum, för att bilda delar med specifika format och egenskaper.

Kolnanorör tillverkas med andra processer än vanliga kolfibrer, med laserstrålar i speciella ugnar i förkolningsprocessen. Nanorör kan nå motstånd som är tjugo gånger större än deras prekursorers.

Efter att ha slutfört serien av processer kommer kolfibrer att erhållas och var och en av dem kommer att bestå av tusentals kolfilament; antalet filament för varje fiber kan variera mellan 1 000 och 24 000, vilket är en tillverkningsegenskap som specificeras i varje enskilt fall.

Strukturen hos den sålunda framställda kolfibern kommer att likna den hos grafit, som vecklas ut till överlagrade ark av kolatomer med en kristallin struktur vars mönster är hexagonalt. Till skillnad från grafit är kolfiber ett amorft material, inte ett kristallint material; kolatomerna är ordnade i ark som skär varandra, vilket ger denna fiber dess exceptionella mekaniska motstånd.

Tillverkningsprocesser för kolfiber medför ett antal risker och utmaningar. Tillverkningskostnaderna är oöverkomliga för vissa applikationer; Till exempel, även om det är en teknologi under utveckling, begränsar de oöverkomliga kostnaderna för bilindustrin för närvarande användningen av kolfiber till högpresterande och lyxfordon.

Ytbehandlingsprocessen måste regleras noggrant för att undvika generering av defekter som resulterar i defekta fibrer. Strikt processkontroll krävs för att säkerställa produktkvaliteten. Dessa processer är i sin tur förknippade med hälso- och säkerhetsproblem och kan orsaka andnings- och epidermala tillstånd. Kolfibrer är elektriska ledare, så de kan generera ljusbågar och kortslutningar i elektrisk utrustning, med åtföljande risk.

En teknologi under utveckling

När kolfiberteknologin fortsätter att utvecklas kommer möjligheterna för dess användning och tillämpning att diversifieras och öka. Flera studier relaterade till produktion av kolfibrer utvecklas vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) som redan visar lovande i skapandet av ny tillverknings- och designteknik för att möta efterfrågan från industrin.

MIT docent i maskinteknik John Hart, en nanorörspionjär, har arbetat med sina studenter för att transformera tillverkningsteknik, inklusive att hitta nya material som ska användas i 3-skrivare. Hart bad sina elever att tänka utanför ramarna för att föreställa sig 3D-skrivare som skulle fungera med nya material. Resultaten var prototyper som tryckte smält glas, glass och kolfiberkompositer. Studentteam skapade också maskiner som kunde hantera storarea parallell extrudering av polymerer , samt göra optisk skanning på plats av utskriftsprocessen.

John Hart arbetade med Mircea Dinca, en docent i kemi vid MIT, i ett gemensamt projekt med Automobili Lamborghini. Den undersökte möjligheterna att utveckla nya kompositmaterial och kolfiber som en dag skulle kunna göra att hela bilkarossen kan användas som ett batterisystem, samt producera starkare och lättare strukturer, tunnare färger, starkare katalysatorer.effektiva och uppnå bättre värme överföring i bilsystemet.

Med utsikten till sådana fantastiska framsteg är det inte konstigt att kolfibermarknaden förväntas växa från 4,7 miljarder dollar 2019 till 13,3 miljarder dollar 2029.

Källor

• McConnell, Vicky. Tillverkningen av kolfiber . Composite World , 2008.

• Sherman, Don. Beyond Carbon Fiber: Nästa banbrytande material är 20 gånger starkare. Bil och förare, tillgänglig september 2021.
• Randall, Danielle. MIT-forskare samarbetar med Lamborghini för att utveckla en framtida elbil . MITMECHE/In The News: Institutionen för kemi, 2017. Kolfibermarknad efter råmaterial (PAN, beck, rayon), fibertyp (jungfrulig, återvunnen), produkttyp, modul, tillämpning (komposit, icke-komposit), slut- använd industri (A&D, Automotive, Wind Energy) och Region—Global Prognos till 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
• EurekAlert! MIT-kursen utmanar eleverna att återuppfinna 3-D-utskrift .