Всичко за въглеродните влакна и как се прави

Наричан още графитово влакно или въглероден графит, въглеродни влакна се състои от много тънки нишки от елемента въглерод. Тези влакна имат висока якост на опън и са изключително силни за размерите си. Всъщност една форма на въглеродни влакна - въглеродна нанотръба- счита се за най-силният наличен материал. Въглеродни влакна приложения включват строителство, инженеринг, аерокосмос, високопроизводителни превозни средства, спортна екипировка и музикални инструменти. В областта на енергетиката въглеродните влакна се използват при производството на лопатки за вятърни мелници, съхраняване на природен газ и горивни клетки за транспортиране. В авиационната индустрия той има приложения както във военни, така и в търговски самолети, както и в безпилотни летателни апарати. За проучване на нефт се използва при производството на дълбоководни сондажни платформи и тръби.

Бързи факти: Статистика на въглеродните влакна

Въглеродните влакна са направени от органични полимери, които се състоят от дълги струни от молекули, държани заедно от въглеродни атоми. Повечето въглеродни влакна (около 90%) са произведени от процеса на полиакрилонитрил (PAN). Малко количество (около 10%) се произвежда от района или процеса на петролни петна.

Газовете, течностите и други материали, използвани в производствения процес, създават специфични ефекти, качества и степени на въглеродни влакна. Производители на въглеродни влакна използват собствени формули и комбинации от суровини за материалите, които произвеждат, и като цяло, те третират тези специфични формулировки като търговска тайна.

Въглеродните влакна от най-висок клас с най-ефективен модул (константа или коефициент, използван за изразяване на числова степен до което веществото притежава определено свойство, като еластичност) се използва при взискателни приложения като космическата.

Създаването на въглеродни влакна включва както химични, така и механични процеси. Суровините, известни като прекурсори, се изтеглят в дълги нишки и след това се нагряват до високи температури в анаеробна (без кислород) среда. Вместо да гори, екстремната топлина причинява атомите на влакната да вибрират толкова силно, че почти всички невъглеродни атоми се изгонват.

След като процесът на карбонизация приключи, останалото влакно се състои от дълги, плътно затворени вериги на въглеродни атоми с малко или без въглеродни атоми. Впоследствие тези влакна се тъкат в плат или се комбинират с други материали, които след това се навиват на нишки или се оформят в желаните форми и размери.

Следните пет сегмента са типични в процеса на ПАН за производството на въглеродни влакна:

1. Spinning. PAN се смесва с други съставки и се завърта на влакна, които след това се измиват и разтягат.
2. Стабилизиране. Влакна са подложени на химическа промяна за стабилизиране на свързването.
3. карбонизиращият. Стабилизираните влакна се нагряват до много висока температура, образувайки плътно свързани въглеродни кристали.
4. Третиране на повърхността. Повърхността на влакната се окислява за подобряване на свързващите свойства.
5. Определянето на размера. Влакна се покриват и се навиват на бобини, които се зареждат на пределни машини, които усукват влакната в различни прежди. Вместо да бъдеш вплетени в тъкани, влакна също могат да се образуват комбиниран материали, използвайки топлина, налягане или вакуум за свързване на влакна заедно с пластмасов полимер.

Въглеродните нанотръби се произвеждат по различен метод от стандартните въглеродни влакна. Смята се, че е 20 пъти по-силен от техните предшественици, нанотръбите се изковават в пещи, които използват лазери за изпаряване на въглеродните частици.

Производството на въглеродни влакна носи редица предизвикателства, включително:

• Необходимостта от по-рентабилно възстановяване и ремонт
• Неустойчиви производствени разходи за някои приложения: Например, въпреки че новите технологии са в процес на развитие, поради прекомерни разходи, използването на въглеродни влакна в автомобилната индустрия понастоящем е ограничено до висока производителност и лукс превозни средства.
• Процесът на повърхностна обработка трябва да бъде внимателно регулиран, за да се избегне създаването на ями, които водят до дефектни влакна.
• Необходимо е стриктно управление, за да се гарантира постоянно качество
• Проблеми със здравето и безопасността, включително дразнене на кожата и дишането
• Извиване и къси панталони в електрическото оборудване поради силната електропроводимост на въглеродните влакна

Тъй като технологията на въглеродните влакна продължава да се развива, възможностите за въглеродни влакна само ще се разнообразяват и увеличават. В Масачузетския технологичен институт няколко изследвания, насочени към въглеродните влакна, вече показват: голямо обещание за създаване на нова производствена технология и дизайн, които да отговарят на нововъзникващата индустрия поиска.

Доцентът на MIT по машиностроене Джон Харт, пионер в нанотръбите, работи със студентите си за трансформиране технологията за производство, включително разглеждане на нови материали, които да се използват заедно с 3D принтери с търговска степен. „Помолих ги да мислят напълно от релсите; ако успеят да създадат 3-D принтер, който никога не е правен преди, или полезен материал, който не може да бъде отпечатан с помощта на настоящите принтери ", обясни Харт.

Резултатите бяха прототипи за машини, които отпечатваха разтопено стъкло, сладък сладък и композитни материали от въглеродни влакна. Според Харт студентските екипи създават и машини, които могат да се справят с „паралелно екструдиране на полимери с голяма площ“ и да извършват „in situ оптично сканиране“ на процеса на печат.

Освен това Харт работи с доцент в MIT Мирча Динка върху неотдавна завършено тригодишно сътрудничество с Automobili Lamborghini да проучи възможностите на новите въглеродни влакна и композитни материали, които един ден могат не само "дават възможност на цялото тяло на автомобила да се използва като батерийна система ", но водят до" по-леки, по-здрави тела, по-ефективни каталитични преобразуватели, по-тънка боя и подобрен топлопренос на мощност на влака [като цяло ".

С толкова зашеметяващи пробиви на хоризонта не е чудно, че се очаква пазарът на въглеродни влакна да нарасне от $ 4,7 милиарда през 2019 г. до 13,3 милиарда долара до 2029 г. при комбиниран годишен темп на растеж (CAGR) от 11,0% (или малко по-висок) за същия период на време.

• Макконъл, Вики. "Изработката на въглеродни влакна." CompositeWorld. 19 декември 2008 г.
• Шерман, Дон. "Отвъд въглеродните влакна: Следващият пробивен материал е 20 пъти по-силен." Кола и шофьор. 18 март 2015 г.
• Рандал, Даниел. “Изследователите на MIT си сътрудничат с Lamborghini за разработването на електрическа кола на бъдещето. " MITMECHE / В новините: Катедра по химия. 16 ноември 2017 г.
• „Пазар на въглеродни влакна по суровина (PAN, Pitch, Rayon), Тип влакно (Virgin, Рециклиран), Тип продукт, Модул, Приложение (Композитни, некомпозитни), Крайна промишленост (A&D, Автомобили, Вятърна енергия) и Регион - Глобална прогноза до 2029 г. " MarketsandMarkets ™. Септември 2019г