Nazywany również włóknem grafitowym lub grafitem węglowym, włókno węglowe składa się z bardzo cienkich pasm węgla pierwiastkowego. Włókna te mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i są wyjątkowo mocne jak na swój rozmiar. W rzeczywistości jedna forma włókna węglowego - Nanorurka węglowa—Jest uważany za najmocniejszy dostępny materiał. Włókno węglowe Aplikacje obejmują konstrukcje, inżynierię, lotnictwo, pojazdy o wysokiej wydajności, sprzęt sportowy i instrumenty muzyczne. W dziedzinie energii włókno węglowe jest wykorzystywane do produkcji łopat wiatraków, magazynów gazu ziemnego i ogniw paliwowych do transportu. W przemyśle lotniczym ma zastosowanie zarówno w samolotach wojskowych i komercyjnych, jak i bezzałogowych statkach powietrznych. Do eksploracji ropy naftowej stosuje się ją w produkcji platform wiertniczych i rur głębinowych.
Najważniejsze fakty: statystyki dotyczące włókna węglowego
- Każda nić włókna węglowego ma średnicę od 5 do 10 mikronów. Aby poczuć, jak mały jest ten rozmiar, jeden mikron (um) wynosi 0,000039 cala. Pojedyncza nić jedwabiu pajęczyny ma zwykle od trzech do ośmiu mikronów.
- Włókna węglowe są dwa razy sztywniejsze niż stal i pięć razy mocniejsze niż stal (na jednostkę masy). Są również wysoce odporne chemicznie i mają tolerancję na wysoką temperaturę przy niskiej rozszerzalności cieplnej.
Surowy materiał
Włókno węglowe wykonane jest z polimerów organicznych, które składają się z długich łańcuchów cząsteczek połączonych ze sobą atomami węgla. Większość włókien węglowych (około 90%) jest wytwarzanych w procesie poliakrylonitrylu (PAN). Niewielka ilość (około 10%) jest wytwarzana w procesie ze sztucznego jedwabiu lub z paku naftowego.
Gazy, ciecze i inne materiały użyte w procesie produkcyjnym tworzą specyficzne efekty, właściwości i gatunki włókna węglowego. Producenci włókien węglowych stosują zastrzeżone formuły i kombinacje surowców do produkowanych przez siebie materiałów i ogólnie traktują te konkretne formuły jako tajemnice handlowe.
Najwyższej jakości włókno węglowe o najbardziej efektywnym module (stała lub współczynnik stosowany do wyrażenia stopnia liczbowego do które substancja posiada określoną właściwość, taką jak elastyczność) właściwości są wykorzystywane w wymagających zastosowaniach, takich jak lotnictwo.
Proces produkcji
Tworzenie włókna węglowego obejmuje zarówno procesy chemiczne, jak i mechaniczne. Surowce, zwane prekursorami, są wciągane w długie pasma, a następnie podgrzewane do wysokich temperatur w środowisku beztlenowym (beztlenowym). Ekstremalne ciepło zamiast spalania powoduje, że atomy włókna wibrują tak gwałtownie, że prawie wszystkie atomy inne niż węgiel zostają wydalone.
Po zakończeniu procesu karbonizacji pozostałe włókno składa się z długich, ściśle powiązanych ze sobą łańcuchów atomów węgla z niewielką ilością atomów innych niż węgiel lub ich brak. Włókna te są następnie wplecione w tkaninę lub łączone z innymi materiałami, które są następnie nawijane lub formowane w pożądane kształty i rozmiary.
Pięć segmentów jest typowych w procesie PAN do produkcji włókna węglowego:
- Spinning. PAN miesza się z innymi składnikami i wiruje we włókna, które są następnie myte i rozciągane.
- Stabilizujący. Włókna ulegają zmianom chemicznym w celu ustabilizowania wiązania.
- Karbonizacja. Stabilizowane włókna są podgrzewane do bardzo wysokiej temperatury, tworząc ściśle związane kryształy węgla.
- Leczenie powierzchni. Powierzchnia włókien jest utleniana, aby poprawić właściwości wiązania.
- Rozmiar Włókna są powlekane i nawijane na szpulki, które są ładowane na przędzarki, które skręcają włókna w przędze o różnych rozmiarach. Zamiast być tkane w tkaninymożna również formować włókna złożony materiały wykorzystujące ciepło, ciśnienie lub próżnię do wiązania włókien razem z polimerem z tworzywa sztucznego.
Nanorurki węglowe są wytwarzane w innym procesie niż standardowe włókna węglowe. Szacuje się, że jest 20 razy silniejszy niż ich prekursory, nanorurki są kute w piecach wykorzystujących lasery do odparowywania cząstek węgla.
Wyzwania produkcyjne
Produkcja włókien węglowych wiąże się z wieloma wyzwaniami, w tym:
- Potrzeba bardziej opłacalnego odzyskiwania i naprawy
- Niezrównoważone koszty produkcji w przypadku niektórych aplikacji: Na przykład, mimo że w związku z tym opracowywana jest nowa technologia zaporowe koszty, wykorzystanie włókna węglowego w przemyśle motoryzacyjnym jest obecnie ograniczone do wysokiej wydajności i luksusu pojazdy.
- Proces obróbki powierzchni musi być dokładnie regulowany, aby uniknąć tworzenia się wgłębień powodujących uszkodzenie włókien.
- Konieczna jest ścisła kontrola w celu zapewnienia stałej jakości
- Kwestie zdrowia i bezpieczeństwa, w tym podrażnienia skóry i oddechu
- Łuk elektryczny i zwarcia w sprzęcie elektrycznym ze względu na silne przewodnictwo elektryczne włókien węglowych
Przyszłość włókna węglowego
W miarę rozwoju technologii włókien węglowych możliwości włókna węglowego będą się tylko różnicować i zwiększać. W Massachusetts Institute of Technology kilka badań koncentrujących się na włóknie węglowym już wykazuje wiele obietnic związanych z tworzeniem nowych technologii produkcji i projektowania, aby sprostać rozwijającej się branży żądanie.
MIT, profesor inżynierii mechanicznej John Hart, pionier nanorurek, pracuje ze swoimi uczniami nad transformacją technologia produkcji, w tym szukanie nowych materiałów do zastosowania w połączeniu z drukarkami 3D klasy komercyjnej. „Poprosiłem ich, aby całkowicie przestali myśleć; gdyby mogli sobie wyobrazić drukarkę 3D, która nigdy wcześniej nie była produkowana, lub użyteczny materiał, którego nie można wydrukować przy użyciu obecnych drukarek ”- wyjaśnił Hart.
Rezultatem były prototypowe maszyny drukujące stopione szkło, lody miękkie i kompozyty z włókna węglowego. Według Hart zespoły studenckie stworzyły również maszyny, które mogłyby obsługiwać „równoległe wytłaczanie polimerów na dużej powierzchni” i wykonywać „skanowanie optyczne in situ” procesu drukowania.
Ponadto Hart współpracował z profesorem chemii MIT Mircea Dinca przy niedawno zakończonej trzyletniej współpracy z Automobili Lamborghini aby zbadać możliwości nowych materiałów z włókna węglowego i materiałów kompozytowych, które pewnego dnia mogą nie tylko „umożliwić wykorzystanie całego nadwozia samochodu jako układ akumulatorowy ”, ale prowadzą do„ lżejszych, mocniejszych korpusów, bardziej wydajnych katalizatorów, cieńszej farby i lepszego przenoszenia ciepła przez układ napędowy [ogólnie] ”.
Przy tak oszałamiających przełomach na horyzoncie nic dziwnego, że rynek włókien węglowych wzrośnie z 4,7 USD w 2019 r. do 13,3 mld USD do 2029 r., przy złożonej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 11,0% (lub nieco wyższej) w tym samym okresie czas.
Źródła
- McConnell, Vicki. "Produkcja włókna węglowego." CompositeWorld. 19 grudnia 2008 r
- Sherman, Don. "Więcej niż włókno węglowe: następny przełomowy materiał jest 20 razy silniejszy." Samochód i kierowca. 18 marca 2015 r
- Randall, Danielle. “Naukowcy z MIT współpracują z Lamborghini w celu opracowania elektrycznego samochodu przyszłości. ” MITMECHE / In The News: Department of Chemistry. 16 listopada 2017 r
- „Rynek włókien węglowych według surowców (PAN, podziałka, sztuczny jedwab), rodzaju włókna (pierwotny, z recyklingu), rodzaju produktu, modułu, zastosowania (Kompozytowe, niekompozytowe), przemysł końcowego zastosowania (A & D, motoryzacja, energia wiatrowa) oraz region - prognoza globalna do 2029 r. ” MarketsandMarkets ™. Wrzesień 2019 r