Tabla de Contenidos
Grafit elyaf olarak da adlandırılan karbon elyafı , ana elemanı karbon olan bir polimerin çapı 5 ila 10 mikron olan çok ince filamentlerden oluşan sentetik bir elyaftır. Bu ince filamentlerden binlercesinin dokuması ve işlenmesiyle bir karbon fiber elde edilir. Bu filamanlar yüksek bir çekme mukavemetine sahiptir, bu nedenle kalınlıklarına göre son derece güçlüdürler. Karbon fiberin bir biçimi olan karbon nanotüp, yapılabilecek en güçlü malzeme olarak kabul edilir. Genel olarak, karbon lifleri, ahşap veya plastiğe benzer yoğunlukta çok daha hafif olmalarına rağmen çeliğe benzer özelliklere sahiptir.
Karbon fiberlerin birçok uygulaması vardır: inşaatta, havacılık teknolojisinde, yüksek performanslı araçlarda, çeşitli mühendislik uygulamalarında, spor ekipmanlarında, müzik aletlerinde.
Karbon fiberler, rüzgar türbini kanatları yapmak gibi enerjiyle ilgili çeşitli uygulamalara sahiptir; Doğal gaz depolama sistemlerinde ve araçlar için elektrik akümülatörlerinde de kullanılırlar. Havacılık sektöründe bu malzeme hem ticari hem de askeri hava araçlarının yanı sıra insansız hava araçlarında da kullanılmaktadır. Ayrıca derin sularda petrol arama ve çıkarma için platform ve boru yapımında da kullanılırlar.
Karbon fiberi oluşturan lifler, organik polimerlerden oluşur: monomer adı verilen aynı molekülün tekrar tekrar birleşmesiyle üretilen uzun karbon bileşikleri zincirleri . Karbon fiberlerin çoğu, yaklaşık %90’ı poliakrilonitrilden (PAN) yapılır. Bu polimer , aşağıdaki şekilde gösterilen reaksiyonda akrilonitril veya propilenitrilden (C3H3N ) üretilir .
Malzemenin üretim işlemlerinin özel koşulları, ona karbon liflerinin özel niteliklerini verir. Bu koşullardan bazıları kullanılan hammaddeler, işlemlerin sıcaklıkları (bazı aşamalar yüksek sıcaklıklarda fırınlarda gerçekleştirilir) veya üretildikleri atmosferdir (işlemlerin bir kısmı oksijenin yokluğunda gerçekleşir). Üretim süreçleri, üreticilerine özeldir, bu nedenle sürecin çeşitli yönleri ticari sırlardır. En verimli esneklik modülüne sahip en yüksek dereceli karbon fiber, havacılık endüstrisi gibi en zorlu uygulamalarda kullanılır.
Karbon fiber üretim süreçleri
Karbon elyaf üretimi, kimyasal ve mekanik süreçleri birleştirir. Karbon lifleri için öncü hammadde, daha sonra anaerobik (oksijen içermeyen) bir atmosferde yüksek sıcaklıklara ısıtılan ince filamentler halinde üretilir. Yüksek sıcaklıklar, karbon olmayan tüm atomların malzemesinin dışarı atılmasına neden olur. Bu şekilde, karbonizasyon işlemi, orijinal filamanların iç içe geçmesinin ürünü olan, esas olarak uzun zincirlerdeki karbon atomlarından oluşan bir lif üretir. Bu lifler daha sonra başka bir tür lif üretmek için diğer malzemelerle dokunabilir veya karıştırılabilir veya çeşitli şekil ve boyutlarda kalıplanabilir. Aşağıda karbon liflerinin üretiminde yer alan işlemlerin sırasını görelim.
iplik _ Poliakrilonitril, diğer bileşenlerle karıştırılır ve yıkandıktan sonra açılan lifler halinde bükülür.
stabilizasyon _ Lifler, bileşikleri stabilize eden kimyasal işlemlerden geçer.
karbonizasyon _ Stabilize edilmiş lifler, anaerobik bir atmosferde uzun süreler boyunca 1.000 ila 2.500 santigrat derece arasındaki çok yüksek sıcaklıklara ısıtılır. Bu, karbonun kristalleşmesinin yüksek kohezyon birliğinde nasıl üretildiğidir.
Yüzey işleme . Sonraki örgüde lifler arası bağın iyileştirilmesi için liflerin yüzeyi oksitlenir.
şeklinde _ Elyaflar işlenir ve onları farklı kalınlık ve mekanik özelliklere sahip elyaflar halinde büken makinelere yüklenen bobinlere sarılır. Bu lifler, belirli formatlara ve özelliklere sahip parçalar oluşturmak için ısı, basınç veya vakum kullanan işlemlerde kumaşları dokumak veya termoplastik polimerler gibi diğer malzemelerle birleştirmek için kullanılabilir.
Karbon nanotüpler, karbonizasyon işleminde özel fırınlarda lazer ışınları kullanılarak standart karbon fiberlerden farklı işlemler kullanılarak yapılır. Nanotüpler, öncüllerinden yirmi kat daha fazla dirençlere ulaşabilir.
Bir dizi işlem tamamlandıktan sonra karbon lifleri elde edilecek ve her biri binlerce karbon lifinden oluşacak; her elyafın filaman sayısı 1.000 ile 24.000 arasında değişebilir, bu her durumda belirtilen bir üretim özelliğidir.
Bu şekilde üretilen karbon fiberin yapısı, deseni altıgen olan bir kristal yapıya sahip üst üste bindirilmiş karbon atomu tabakalarına açılan grafitinkine benzer olacaktır. Grafitten farklı olarak, karbon elyaf kristalli değil amorf bir malzemedir; karbon atomları, bu elyafa olağanüstü mekanik direncini veren kesişen tabakalar halinde düzenlenmiştir.
Karbon fiber üretim süreçleri bir takım riskler ve zorluklar taşır. Bazı uygulamalar için üretim maliyetleri karşılanamaz; Örneğin gelişen bir teknoloji olmasına rağmen otomotiv sektörünün fahiş maliyetleri şu anda karbon fiber kullanımını yüksek performanslı ve lüks araçlarla sınırlıyor.
Kusurlu liflerle sonuçlanan kusurların oluşmasını önlemek için yüzey işleme süreci dikkatli bir şekilde düzenlenmelidir. Ürün kalitesini sağlamak için sıkı süreç kontrolü gereklidir. Buna karşılık, bu süreçler sağlık ve güvenlik sorunları ile ilişkilidir ve solunum ve epidermal koşullara neden olabilir. Karbon fiberler elektrik iletkenleridir, dolayısıyla elektrikli ekipmanlarda arklar ve kısa devreler oluşturarak sonuç olarak risk oluşturabilirler.
Gelişen bir teknoloji
Karbon fiber teknolojisi gelişmeye devam ettikçe, kullanım ve uygulama olanakları çeşitlenecek ve artacaktır. Massachusetts Institute of Technology’de (MIT) karbon elyaf üretimiyle ilgili çeşitli çalışmalar geliştirilmekte olup, bunlar endüstrinin talebini karşılamak için yeni üretim ve tasarım teknolojilerinin yaratılmasında şimdiden umut vaat etmektedir.
Bir nanotüp öncüsü olan MIT makine mühendisliği doçenti John Hart, 3 yazıcılı D reklamlarında kullanılacak yeni malzemeler bulmak da dahil olmak üzere üretim teknolojisini dönüştürmek için öğrencileriyle birlikte çalışıyor. Hart, öğrencilerinden yeni malzemelerle çalışacak 3 boyutlu yazıcıları tasavvur etmeleri için alışılmışın dışında düşünmelerini istedi. Sonuçlar, erimiş cam, dondurma ve karbon fiber kompozitleri basan prototiplerdi. Öğrenci ekipleri ayrıca , polimerlerin geniş alanlı paralel ekstrüzyonunu gerçekleştirmenin yanı sıra, baskı işleminin yerinde optik taramasını yapabilen makineler de yarattı.
John Hart, Automobili Lamborghini ile ortak bir projede MIT’de kimya doçenti Mircea Dinca ile çalıştı. Bir gün tüm araba gövdesinin bir akü sistemi olarak kullanılmasına izin verebilecek, aynı zamanda daha güçlü ve daha hafif yapılar, daha ince boyalar, daha güçlü katalitik konvertörler üretebilecek, verimli ve daha iyi ısı elde edebilecek yeni kompozit malzemeler ve karbon fiber geliştirme olasılıklarını araştırdı. Otomotiv sisteminde transfer.
Böylesine şaşırtıcı ilerlemeler beklentisiyle, karbon elyaf pazarının 2019’da 4,7 milyar dolardan 2029’da 13,3 milyar dolara çıkacağının tahmin edilmesi şaşırtıcı değil.
kaynaklar
- McConnel, Vicky. Karbon Elyaf Yapımı . Bileşik Dünya , 2008.
- Sherman, Don. Karbon Fiberin Ötesinde: Yeni Çığır Açan Malzeme 20 Kat Daha Güçlü. Car and Driver, Eylül 2021’de erişildi.
- Randall, Danielle. MIT araştırmacıları, geleceğin elektrikli otomobilini geliştirmek için Lamborghini ile işbirliği yapıyor . MITMECHE/Haberlerde: Kimya Bölümü, 2017. Hammaddeye Göre Karbon Elyaf Pazarı (PAN, Pitch, Rayon), Elyaf Türü (Saf, Geri Dönüştürülmüş), Ürün Türü, Katsayı, Uygulama (Kompozit, Kompozit Olmayan), Bitiş- Endüstri (A&D, Otomotiv, Rüzgar Enerjisi) ve Bölge—2029’a Kadar Küresel Tahmin’i kullanın. MarketsandMarkets™, 2019.
- Uyarı! MIT kursu, öğrencileri 3 boyutlu baskıyı yeniden keşfetmeye zorlar .
