Все о углеродном волокне и как оно сделано

Также называется графитовым волокном или углеродным графитом, углеродное волокно состоит из очень тонких нитей элемента углерода. Эти волокна имеют высокую прочность на разрыв и чрезвычайно прочны для своих размеров. На самом деле, одна из форм углеродного волокна - углеродная нанотрубка- считается самым сильным из доступных материалов. Углеродное волокно Приложения включают в себя строительство, инженерные, аэрокосмические, высокопроизводительные транспортные средства, спортивное оборудование и музыкальные инструменты. В области энергетики углеродное волокно используется в производстве лопастей ветряных мельниц, хранилищ природного газа и топливных элементов для транспортировки. В авиационной промышленности он применяется как в военных, так и в коммерческих самолетах, а также в беспилотных летательных аппаратах. Для разведки нефти она используется при изготовлении глубоководных буровых платформ и труб.

Быстрые факты: статистика углеродного волокна

Углеродное волокно состоит из органических полимеров, которые состоят из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе атомами углерода. Большинство углеродных волокон (около 90%) изготавливаются в процессе полиакрилонитрила (ПАН). Небольшое количество (около 10%) производится из вискозного или нефтяного пека.

Газы, жидкости и другие материалы, используемые в процессе производства, создают особые эффекты, качества и качества углеродного волокна. Производители углеродного волокна использовать запатентованные формулы и комбинации сырья для материалов, которые они производят, и в целом они рассматривают эти конкретные составы как коммерческую тайну.

Углеродное волокно высшего сорта с наиболее эффективным модулем (постоянная или коэффициент, используемый для выражения числовой степени которые вещество обладает определенным свойством, таким как эластичность), свойства используются в требовательных приложениях, таких как авиакосмический.

Создание углеродного волокна включает как химические, так и механические процессы. Сырье, известное как прекурсоры, вытягивают в длинные нити и затем нагревают до высоких температур в анаэробной (бескислородной) среде. Вместо того, чтобы гореть, сильная жара заставляет атомы волокна вибрировать так сильно, что выбрасываются почти все неуглеродные атомы.

После завершения процесса карбонизации оставшееся волокно состоит из длинных, плотно сцепленных цепочек атомов углерода с небольшим количеством или отсутствием неуглеродных атомов. Эти волокна впоследствии вплетаются в ткань или объединяются с другими материалами, которые затем наматываются на волокна или формуются до желаемых форм и размеров.

Следующие пять сегментов являются типичными в процессе PAN для производства углеродного волокна:

1. Спиннинг. PAN смешивают с другими ингредиентами и раскручивают в волокна, которые затем промывают и растягивают.
2. Стабилизирующий. Волокна подвергаются химическому изменению, чтобы стабилизировать связь.
3. карбонизации. Стабилизированные волокна нагревают до очень высокой температуры, образуя плотно связанные кристаллы углерода.
4. Обработка поверхности. Поверхность волокон окисляется для улучшения свойств сцепления.
5. Определение размеров. Волокна покрыты и намотаны на бобины, которые загружаются в прядильные машины, которые скручивают волокна в нити разных размеров. Вместо того, чтобы быть вплетены в тканиволокна также могут быть сформированы в композитный материалы, использующие тепло, давление или вакуум, чтобы связать волокна вместе с пластиковым полимером.

Углеродные нанотрубки изготавливаются не так, как стандартные углеродные волокна. Нанотрубки, по оценкам, в 20 раз более прочные, чем их предшественники, выковываются в печах, в которых используются лазеры для испарения углеродных частиц.

Производство углеродных волокон сопряжено с рядом проблем, в том числе:

• Необходимость более экономичного восстановления и ремонта
• Неустойчивые производственные затраты для некоторых приложений: например, несмотря на то, что разрабатываются новые технологии, из-за Запретительные расходы, использование углеродного волокна в автомобильной промышленности в настоящее время ограничивается высокой производительностью и роскошью транспортные средства.
• Процесс обработки поверхности должен быть тщательно отрегулирован, чтобы избежать образования ям, которые приводят к дефектам волокон.
• Требуется строгий контроль для обеспечения постоянного качества
• Вопросы здоровья и безопасности, включая раздражение кожи и дыхания
• Дуги и шорты в электрооборудовании из-за сильной электропроводности углеродных волокон

Поскольку технология углеродного волокна продолжает развиваться, возможности для углеродного волокна будут только диверсифицироваться и увеличиваться. В Массачусетском технологическом институте несколько исследований, посвященных углеродному волокну, уже показывают многообещающие идеи для создания новых технологий производства и дизайна для удовлетворения растущей отрасли требование.

Профессор машиностроения Массачусетского технологического института Джон Харт, пионер нанотрубок, работает со своими учениками над преобразованием технология производства, включая поиск новых материалов, которые будут использоваться в сочетании с коммерческими 3D-принтерами. «Я попросил их подумать полностью о рельсах; если бы они могли придумать 3-D принтер, который никогда не был изготовлен ранее, или полезный материал, который нельзя распечатать на современных принтерах », - объяснил Харт.

Результатом были прототипы машин, которые печатали расплавленное стекло, мягкое мороженое и композиты из углеродного волокна. По словам Харта, студенческие команды также создали машины, которые могли бы обрабатывать «параллельную экструзию полимеров большой площади» и выполнять «оптическое сканирование на месте» процесса печати.

Кроме того, Харт работал с доцентом химического факультета Массачусетского технологического института Мирчей Динкой в ​​рамках недавно заключенного трехлетнего сотрудничества с Automobili Lamborghini. исследовать возможности новых углеродных волокон и композитных материалов, которые однажды не только позволят использовать весь кузов автомобиля в качестве аккумуляторная система », но приводит к« более легким, прочным корпусам, более эффективным каталитическим нейтрализаторам, более тонкой краске и улучшенной теплоотдаче силовой передачи [в целом] ».

С такими ошеломляющими прорывами на горизонте неудивительно, что рынок углеродного волокна, согласно прогнозам, вырастет с $ 4,7. млрд. в 2019 году до 13,3 млрд. долларов к 2029 году при совокупном годовом темпе роста (CAGR) на 11,0% (или немного выше) за тот же период время.

• Макконнелл, Вики. "Изготовление углеродного волокна." CompositeWorld. 19 декабря 2008 г.
• Шерман, Дон. "Помимо углеродного волокна: следующий прорывной материал в 20 раз прочнее." Автомобиль и Водитель. 18 марта 2015 г.
• Рэндалл, Даниэль. “Исследователи MIT сотрудничают с Lamborghini для разработки электромобиля будущего«. MITMECHE / In The News: Химический факультет. 16 ноября 2017 г.
• «Рынок углеродного волокна по сырью (PAN, Pitch, Rayon), типу волокна (первичный, переработанный), типу продукта, модулю, применению (Составной, некомпонентный), Промышленность конечного использования (A & D, Автомобильная промышленность, Энергия ветра) и Регион - глобальный прогноз до 2029 года ». MarketsandMarkets ™. Сентябрь 2019