Kaikki hiilikuidusta ja siitä, kuinka se on valmistettu

Kutsutaan myös grafiittikuituksi tai hiiligrafiitiksi, hiilikuitu koostuu erittäin ohuista säikeen hiilen säikeistä. Näillä kuiduilla on korkea vetolujuus ja ne ovat kooltaan erittäin vahvat. Itse asiassa yksi hiilikuitumuoto - hiilinanoputki- pidetään vahvimpana saatavilla olevana materiaalina. Hiilikuitu sovellukset niihin kuuluvat rakentaminen, tekniikka, ilmailu, tehokkaat ajoneuvot, urheiluvälineet ja soittimet. Energia-alalla hiilikuitua käytetään tuulimyllyn siipien, maakaasun varastoinnin ja kuljetuspolttokennojen tuotannossa. Lentokoneteollisuudessa sillä on sovelluksia sekä sotilas- että kaupallisissa ilma-aluksissa sekä miehittämättömissä ilma-aluksissa. Öljytutkimukseen sitä käytetään syvänmeren porausalustojen ja putkien valmistuksessa.

Nopeat tosiasiat: Hiilikuitutilastot

Hiilikuitu on valmistettu orgaanisista polymeereistä, jotka koostuvat pitkistä hiiliatomien pitämistä molekyylijonoista. Suurin osa hiilikuiduista (noin 90%) valmistetaan polyakryylinitriili (PAN) -prosessista. Pieni määrä (noin 10%) valmistetaan raionista tai öljypigi-prosessista.

Kaasut, nesteet ja muut valmistusprosessissa käytetyt materiaalit luovat erityisiä vaikutuksia, ominaisuuksia ja laatuja hiilikuitua. Hiilikuidun valmistajat käyttävät valmistettuihin materiaaleihin omia kaavoja ja raaka-aineyhdistelmiä, ja yleensä ne käsittelevät näitä erityisiä formulaatioita liikesalaisuuksina.

Korkeimman luokan hiilikuitu, jolla on tehokkain moduuli (vakio tai kerroin, jota käytetään ilmaisemaan numeerinen aste - joilla aineella on tietty ominaisuus, kuten joustavuus), ominaisuuksia käytetään vaativissa sovelluksissa, kuten ilmailu.

Hiilikuitujen luominen käsittää sekä kemialliset että mekaaniset prosessit. Raaka-aineet, jotka tunnetaan prekursoreina, vedetään pitkiksi säikeiksi ja kuumennetaan sitten korkeisiin lämpötiloihin anaerobisessa (happea sisältämättömässä) ympäristössä. Äärimmäinen lämpö aiheuttaa polttamisen sijaan kuitiatomien värähtelyn niin voimakkaasti, että melkein kaikki ei-hiiliatomit karkotetaan.

Kun hiilentämisprosessi on valmis, jäljellä oleva kuitu koostuu pitkistä, tiiviisti lukittuneista hiiliatomiketjuista, joissa on jäljellä muutama hiiliatomi tai ei ollenkaan. Nämä kuidut kudotaan myöhemmin kankaaseen tai yhdistetään muiden materiaalien kanssa, jotka sitten kiedotaan tai muovataan haluttuihin muotoihin ja kokoihin.

Seuraavat viisi segmenttiä ovat tyypillisiä PAN-prosessissa hiilikuitun valmistuksessa:

1. Pyöriä. PAN sekoitetaan muiden aineosien kanssa ja kehrruu kuituiksi, jotka pestään ja venytetään.
2. Vakiintumassa. Kuidut käyvät läpi kemiallisen muutoksen sitoutumisen stabiloimiseksi.
3. karbonointilämpötilaan. Stabiloidut kuidut kuumennetaan erittäin korkeaan lämpötilaan muodostaen tiiviisti sidottuja hiilikiteitä.
4. Pinnan käsittely. Kuitujen pinta hapetetaan sitoutumisominaisuuksien parantamiseksi.
5. Mitoitus. Kuidut päällystetään ja kelataan puolaihin, jotka lastataan kehruukoneisiin, jotka kiertävät kuidut erikokoisiksi langoiksi. Sen sijaan, että olisi kudottu kankaiksi, kuidut voidaan myös muodostaa yhdistelmä materiaalit, käyttämällä lämpöä, painetta tai tyhjiötä kuitujen sitomiseksi yhdessä muovipolymeerin kanssa.

Hiilinanoputket valmistetaan eri prosessilla kuin tavalliset hiilikuitut. Nanoputkien, joiden arvioidaan olevan 20 kertaa voimakkaampia kuin niiden edeltäjät, takoitetaan uuneissa, joissa käytetään lasereita hiilihiukkasten höyrystämiseen.

Hiilikuitujen valmistuksella on useita haasteita, mukaan lukien:

• Tarve kustannustehokkaammalle palautumiselle ja korjaamiselle
• Joidenkin sovellusten kestämättömät valmistuskustannukset: Esimerkiksi, vaikka uutta tekniikkaa on kehitteillä, johtuu kohtuuttomia kustannuksia, hiilikuitun käyttö autoteollisuudessa rajoittuu tällä hetkellä korkean suorituskyvyn ja ylellisyyden piiriin ajoneuvoja.
• Pintakäsittelyprosessia on säänneltävä huolellisesti, jotta vältetään kuoppia, jotka johtavat viallisiin kuituihin.
• Tasaisen laadun varmistamiseksi vaaditaan tarkkaa valvontaa
• Terveys- ja turvallisuuskysymykset, mukaan lukien iho- ja hengitysteiden ärsytys
• Kaareva ja oikosulku sähkölaitteissa hiilikuitujen voimakkaan sähkönjohtavuuden vuoksi

Hiilikuituteknologian jatkuvan kehityksen myötä hiilikuitumahdollisuudet vain monipuolistuvat ja kasvavat. Massachusettsin teknillisessä instituutissa useat hiilikuituun keskittyvät tutkimukset ovat jo osoittaneet a suuri lupaus uuden valmistustekniikan ja suunnittelun luomiseen vastaamaan kehittyvää teollisuutta kysyntä.

MIT: n konetekniikan apulaisprofessori, nanoputkien edelläkävijä John Hart on työskennellyt opiskelijoidensa kanssa muuntaakseen valmistustekniikka, mukaan lukien uusien materiaalien tarkasteleminen käytettäväksi kaupallisen luokan 3D-tulostimien yhteydessä. "Pyysin heitä ajattelemaan täysin raiteilta; jos he pystyisivät ajattelemaan 3D-tulostimen, jota ei ole koskaan tehty ennen, tai hyödyllisen materiaalin, jota ei voida tulostaa nykyisillä tulostimilla ", Hart selitti.

Tuloksena olivat prototyyppikoneet, jotka painottivat sulaa lasia, pehmeästi tarjoavaa jäätelöä ja hiilikuitukomposiitteja. Hartin mukaan opiskelijaryhmät loivat myös koneita, jotka kykenevät käsittelemään ”polymeerien suuren alueen rinnakkaista suulakepuristusta” ja suorittamaan tulostusprosessin “in situ optisen skannauksen”.

Lisäksi Hart työskenteli MIT: n kemian apulaisprofessorin Mircea Dincan kanssa äskettäin tehdyssä kolmivuotisessa yhteistyössä Automobili Lamborghinin kanssa. tutkia uusien hiilikuitumateriaalien ja komposiittimateriaalien mahdollisuuksia, jotka voisivat jonakin päivänä paitsi "mahdollistaa auton koko rungon käytön akkujärjestelmä ", mutta johtavat" kevyempiin, vahvempiin kappaleisiin, tehokkaampiin katalysaattoreihin, ohuempaan maaliin ja parempaan voimansiirtojärjestelmän lämmönsiirtoon [kokonaisuutena] ".

Tällaisilla upeilla läpimurtoilla horisontissa ei ole ihme, että hiilikuitumarkkinoiden ennustetaan kasvavan 4,7 dollarista. miljardia euroa vuonna 2019, 13,3 miljardiin dollariin vuoteen 2029 mennessä, yhdistetyn vuotuisen kasvunopeuden (CAGR) ollessa 11,0% (tai hiukan korkeampi) samalla ajanjaksolla. aika.

• McConnell, Vicki. "Hiilikuidun valmistus." CompositeWorld. 19. joulukuuta 2008
• Sherman, Don. "Hiilikuitujen lisäksi: seuraava läpimurto on 20 kertaa vahvempi." Auto ja kuljettaja. 18. maaliskuuta 2015
• Randall, Danielle. “MIT: n tutkijat tekevät yhteistyötä Lamborghinin kanssa tulevaisuuden sähköauton kehittämiseksi.” MITMECHE / Uutisissa: Kemian laitos. 16. marraskuuta 2017
• "Hiilikuitumarkkinat raaka-aineiden (PAN, Pitch, Rayon), kuitutyypin (Virgin, kierrätys), tuotetyypin, Modulus, sovelluksen mukaan (Komposiitti, ei komposiitti), loppukäyttöteollisuus (t & k, auto, tuulivoima) ja alue - maailmanlaajuinen ennuste vuoteen 2029. " MarketsandMarkets ™. Syyskuu 2019