Как се правят въглеродни влакна?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

Въглеродните влакна , наричани още графитни влакна, са синтетични влакна, съставени от много фини нишки с диаметър от 5 до 10 микрона от полимер, чийто основен елемент е въглеродът. Въглеродните влакна се получават чрез тъкане и обработка на хиляди от тези тънки нишки. Тези нишки имат висока якост на опън, така че са изключително здрави за тяхната дебелина. Една форма на въглеродни влакна, въглеродните нанотръби, се счита за най-здравия материал, който може да бъде направен. Като цяло въглеродните влакна имат свойства, подобни на стоманата, въпреки че са много по-леки, с плътност, подобна на дървото или пластмасата.

Има множество приложения за въглеродни влакна: в строителството, в космическата технология, в превозни средства с висока производителност, в различни инженерни приложения, в спортно оборудване, в музикални инструменти.

Въглеродните влакна имат различни приложения, свързани с енергията, като например направата на лопатки на вятърни турбини; Използват се и в системи за съхранение на природен газ и електрически акумулатори за превозни средства. В авиационната индустрия този материал се използва както в търговски и военни самолети, така и в безпилотни летателни апарати. Те се използват и в производството на платформи и тръби за дълбоководно проучване и експлоатация на нефт.

Въглеродни влакна с диаметър 6 μm до човешки косъм (50 μm в диаметър).
Въглеродни влакна с диаметър 6 μm до човешки косъм (50 μm в диаметър).

Нишките, които изграждат въглеродните влакна, са изградени от органични полимери: дълги вериги от въглеродни съединения, които се получават от повтарящото се обединяване на една и съща молекула, наречена мономер . Повечето въглеродни влакна, около 90%, са направени от полиакрилонитрил (PAN). Този полимер се генерира от акрилонитрил или пропиленнитрил (C3H3N ) , в реакцията, показана на следващата фигура .

Реакция на полимеризация на полиакрилонитрил в полиакрилонитрил.
Реакция на полимеризация на полиакрилонитрил в полиакрилонитрил.

Специфичните условия на производствените процеси на материала му придават специфичните качества на въглеродните влакна. Някои от тези условия са използваните суровини, температурите на процесите (някои етапи се извършват в пещи при високи температури) или атмосферата, в която се произвеждат (част от процесите протичат в отсъствието на кислород). Производствените процеси са собственост на техните производители, така че различни аспекти на процеса са търговска тайна. Въглеродни влакна от най-висок клас, с най-ефективния модул на еластичност, се използват в най-взискателните приложения, като например космическата индустрия.

Процеси на производство на въглеродни влакна

Производството на въглеродни влакна съчетава химични и механични процеси. Суровият прекурсор за въглеродни влакна се произвежда в тънки нишки, които след това се нагряват до високи температури в анаеробна (безкислородна) атмосфера. Високите температури причиняват изхвърлянето на материала на всички атоми, които не са въглеродни. По този начин процесът на карбонизация произвежда влакно, съставено главно от въглеродни атоми в дълги вериги, продукт на преплитането на оригиналните нишки. След това тези влакна могат да бъдат изтъкани или смесени с други материали, за да се произведе друг тип влакна или формовани в различни форми и размери. Нека видим по-долу последователността от процеси, включени в производството на въглеродни влакна.

прежда . Полиакрилонитрилът се смесва с други компоненти и се предава във влакна, които се разгъват след измиване.

стабилизиране . Влакната претърпяват химически процеси, които стабилизират съединенията.

карбонизация . Стабилизираните влакна се нагряват до много високи температури, между 1000 и 2500 градуса по Целзий за дълги периоди от време, в анаеробна атмосфера. Ето как кристализацията на въглерода се генерира в съюз с висока кохезия.

Повърхностна обработка . Повърхността на влакната е окислена, за да се подобри свързването между влакната при последващо оплитане.

оформен . Влакната се обработват и навиват на бобини, които се зареждат в машини, които ги усукват във влакна с различна дебелина и механични свойства. Тези влакна могат да се използват за тъкане на тъкани или да се комбинират с други материали като термопластични полимери в процеси, които използват топлина, налягане или вакуум, за да се образуват части със специфични формати и свойства.

Въглеродните нанотръби се произвеждат чрез различни процеси от стандартните въглеродни влакна, като се използват лазерни лъчи в специални пещи в процеса на карбонизация. Нанотръбите могат да достигнат съпротивление двадесет пъти по-голямо от това на техните предшественици.

След завършване на поредицата от процеси ще бъдат получени въглеродни влакна и всяко от тях ще бъде съставено от хиляди въглеродни нишки; броят на нишките на всяко влакно може да варира между 1000 и 24 000, като това е производствена характеристика, която се уточнява за всеки отделен случай.

Структурата на така получените въглеродни влакна ще бъде подобна на тази на графита, който се разгръща в насложени листове от въглеродни атоми с кристална структура, чийто модел е шестоъгълен. За разлика от графита, въглеродните влакна са аморфен материал, а не кристален; въглеродните атоми са подредени в листове, които се пресичат, което придава на това влакно неговата изключителна механична устойчивост.

Процесите на производство на въглеродни влакна носят редица рискове и предизвикателства. Производствените разходи са непосилни за някои приложения; Например, въпреки че е развиваща се технология, непосилните разходи на автомобилната индустрия в момента ограничават използването на въглеродни влакна до високопроизводителни и луксозни превозни средства.

Процесът на повърхностна обработка трябва да бъде внимателно регулиран, за да се избегне генерирането на дефекти, които водят до дефектни влакна. Необходим е строг контрол на процеса, за да се гарантира качеството на продукта. На свой ред тези процеси са свързани с проблеми със здравето и безопасността и могат да причинят респираторни и епидермални заболявания. Въглеродните влакна са електрически проводници, така че могат да генерират дъги и къси съединения в електрическото оборудване, с произтичащия от това риск.

Развиваща се технология

Тъй като технологията за въглеродни влакна продължава да се развива, възможностите за нейното използване и приложение ще се разнообразят и увеличат. Няколко проучвания, свързани с производството на въглеродни влакна, се разработват в Масачузетския технологичен институт (MIT), които вече показват обещание в създаването на нови технологии за производство и проектиране, за да отговорят на търсенето на индустрията.

Доцентът по машинно инженерство в Масачузетския технологичен институт Джон Харт, пионер в областта на нанотръбите, работи със своите студенти за трансформиране на производствената технология, включително намирането на нови материали, които да се използват в 3-принтери. D реклами. Харт помоли студентите си да мислят извън кутията, за да си представят 3-D принтери, които да работят с нови материали. Резултатите са прототипи, които отпечатват разтопено стъкло, сладолед и композитни материали от въглеродни влакна. Студентски екипи също създадоха машини, способни да се справят с паралелно екструдиране на големи площи на полимери , както и да извършват оптично сканиране на място на процеса на печат.

Джон Харт е работил с Мирча Динка, доцент по химия в MIT, по съвместен проект с Automobili Lamborghini. Той изследва възможностите за разработване на нови композитни материали и въглеродни влакна, които един ден биха могли да позволят на цялото тяло на автомобила да се използва като акумулаторна система, както и да произвеждат по-здрави и по-леки конструкции, по-тънки бои, по-силни каталитични преобразуватели.ефективни и да постигнат по-добра топлина трансфер в автомобилната система.

Нов автомобилен дизайн от въглеродни влакна, разработен от Джон Харт и Мирча Динка от Масачузетския технологичен институт в съвместен проект с Automobili Lamborghini.
Нов автомобилен дизайн от въглеродни влакна, разработен от Джон Харт и Мирча Динка от Масачузетския технологичен институт в съвместен проект с Automobili Lamborghini.

С перспективата за такъв невероятен напредък не е чудно, че пазарът на въглеродни влакна се очаква да нарасне от $4,7 милиарда през 2019 г. до $13,3 милиарда през 2029 г.

Източници

mm
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

Artículos relacionados