Vše o uhlíkových vláknech a jak je vyrobeno

Nazývá se také grafitové vlákno nebo uhlíkový grafit, uhlíkové vlákno sestává z velmi tenkých pramenů uhlíkového prvku. Tato vlákna mají vysokou pevnost v tahu a jsou mimořádně silná pro svou velikost. Ve skutečnosti jedna forma uhlíkových vláken - uhlíková nanotrubice- je považován za nejsilnější dostupný materiál. Uhlíkové vlákno aplikace zahrnují stavebnictví, strojírenství, letectví, vysoce výkonná vozidla, sportovní vybavení a hudební nástroje. V oblasti energie se uhlíkové vlákno používá při výrobě lopatek větrných mlýnů, skladování zemního plynu a palivových článků pro přepravu. V leteckém průmyslu má uplatnění jak ve vojenských, tak v komerčních letadlech a v bezpilotních vzdušných vozidlech. Pro průzkum ropy se používá při výrobě vrtných plošin a potrubí pro hlubinné vody.

Rychlá fakta: Statistika uhlíkových vláken

Uhlíkové vlákno je vyrobeno z organických polymerů, které se skládají z dlouhých řetězců molekul držených pohromadě atomy uhlíku. Většina uhlíkových vláken (asi 90%) je vyrobena z procesu polyakrylonitrilu (PAN). Malé množství (asi 10%) se vyrábí z umělého hedvábí nebo z procesu smoly.

Plyny, kapaliny a další materiály používané ve výrobním procesu vytvářejí specifické efekty, vlastnosti a stupně uhlíkových vláken. Výrobci uhlíkových vláken používají pro suroviny, které vyrábějí, proprietární receptury a kombinace surovin a obecně považují tyto specifické přípravky za obchodní tajemství.

Nejkvalitnější uhlíkové vlákno s nejúčinnějším modulem (konstanta nebo koeficient používaný k vyjádření číselného stupně na kde látka má zvláštní vlastnost, jako je elasticita), vlastnosti se používají v náročných aplikacích, jako je letectví.

Vytváření uhlíkových vláken zahrnuje jak chemické, tak mechanické procesy. Suroviny, známé jako prekurzory, se natahují do dlouhých pramenů a poté se zahřívají na vysoké teploty v anaerobním prostředí (bez kyslíku). Spíše než spalování, extrémní teplo způsobuje, že atomy vláken vibrují tak prudce, že jsou vyloučeny téměř všechny neuhlíkové atomy.

Po dokončení procesu karbonizace je zbývající vlákno tvořeno dlouhými, pevně vzájemně propojenými řetězci atomů uhlíku, přičemž zbývá jen málo nebo žádný atom uhlíku. Tato vlákna se následně tkají do textilie nebo kombinují s jinými materiály, které se potom navíjejí nebo formují do požadovaných tvarů a velikostí.

V procesu PAN pro výrobu uhlíkových vláken je typických pět segmentů:

1. Předení. PAN je smíchán s dalšími přísadami a spředen na vlákna, která jsou poté promyta a napnuta.
2. Stabilizace. Vlákna podléhají chemické změně, aby se stabilizovalo spojení.
3. Karbonizace. Stabilizovaná vlákna se zahřívají na velmi vysokou teplotu a vytvářejí pevně vázané krystaly uhlíku.
4. Ošetření povrchu. Povrch vláken je oxidován pro zlepšení vazebných vlastností.
5. Dimenzování. Vlákna jsou potažena a navinuta na cívky, které jsou naneseny na spřádací stroje, které kroucují vlákna do přízí různé velikosti. Spíše než být tkané do tkanin, vlákna mohou být také formována do kompozitní materiály, používající teplo, tlak nebo vakuum k vázání vláken spolu s plastovým polymerem.

Uhlíkové nanotrubice se vyrábějí jiným způsobem než standardní uhlíková vlákna. Odhaduje se, že je 20krát silnější než jejich prekurzory, jsou nanotrubice kovány v pecích, které využívají lasery k odpařování uhlíkových částic.

Výroba uhlíkových vláken přináší řadu výzev, včetně:

• Potřeba nákladově efektivnější obnovy a opravy
• Neudržitelné výrobní náklady pro některé aplikace: Například, i když se nová technologie vyvíjí, kvůli za neúnosných nákladů je používání uhlíkových vláken v automobilovém průmyslu v současné době omezeno na vysoce výkonné a luxusní vozidel.
• Proces úpravy povrchu musí být pečlivě regulován, aby nedocházelo k vytváření jám, které vedou k vadným vláknům.
• Je nutná přísná kontrola, aby byla zajištěna stálá kvalita
• Otázky zdraví a bezpečnosti včetně podráždění kůže a dýchání
• Oblouk a zkraty v elektrických zařízeních kvůli silné elektro-vodivosti uhlíkových vláken

Jak se technologie uhlíkových vláken neustále vyvíjí, možnosti uhlíkových vláken se budou diverzifikovat a zvyšovat. V Massachusetts Institute of Technology již několik studií zaměřených na uhlíkové vlákno ukazuje velký příslib pro vytvoření nové výrobní technologie a designu, aby vyhovoval rozvíjejícímu se průmyslu poptávka.

MIT docent strojního inženýrství John Hart, průkopník nanotrubic, pracuje se svými studenty na transformaci technologie pro výrobu, včetně pohledu na nové materiály, které mají být použity ve spojení s komerčními 3D tiskárnami. „Požádal jsem je, aby přemýšleli úplně mimo zábradlí; kdyby dokázali představit 3D tiskárnu, která nikdy nebyla vyrobena, nebo užitečný materiál, který nelze vytisknout pomocí současných tiskáren, “vysvětlil Hart.

Výsledkem byly prototypy strojů, které tiskly roztavené sklo, zmrzlinu na měkké podání - a kompozity z uhlíkových vláken. Podle Hartovy studentské týmy také vytvořily stroje, které dokáží zvládnout „velkoplošné paralelní vytlačování polymerů“ a provádět „optické skenování in situ“ procesu tisku.

Hart dále spolupracoval s MIT docentem chemie Mircea Dinca na nedávno uzavřené tříleté spolupráci s Automobili Lamborghini prozkoumat možnosti nových uhlíkových vláken a kompozitních materiálů, které by jednoho dne mohly nejen „umožnit, aby celé tělo automobilu bylo použito jako bateriový systém, „ale vedou k„ lehčím, silnějším tělům, účinnějším katalyzátorům, tenčímu nátěru a zlepšenému přenosu tepla v hnací soustavě [celkově]. “

S tak ohromujícími průlomy na obzoru není divu, že trh s uhlíkovými vlákny by měl růst ze 4,7 $ miliard v roce 2019 na 13,3 miliard dolarů do roku 2029 při složené roční míře růstu (CAGR) 11,0% (nebo mírně vyšší) za stejné období čas.

• McConnell, Vicki. "Výroba uhlíkových vláken." CompositeWorld. 19. prosince 2008
• Shermane, Don. "Za uhlíkovými vlákny: Další průlomový materiál je 20krát silnější." Auto a řidič. 18. března 2015
• Randall, Danielle. “Výzkumníci MIT spolupracují s Lamborghini při vývoji elektrického automobilu budoucnosti. “ MITMECHE / In The News: Katedra chemie. 16. listopadu 2017
• "Trh s uhlíkovými vlákny podle surovin (PAN, Pitch, Rayon), typ vlákna (Virgin, recyklovaný), typ produktu, modul, aplikace (Kompozitní, nekompozitní), průmysl konečného použití (A & D, automobilový průmysl, větrná energie) a region - globální prognóza do roku 2029. " MarketsandMarkets ™. Září 2019