Viss par oglekļa šķiedru un kā tā tiek izgatavota

Saukta arī par grafīta šķiedru vai oglekļa grafītu, karbona šķiedra sastāv no ļoti plānām oglekļa elementa šķiedrām. Šīm šķiedrām ir augsta stiepes izturība, un to izmērs ir ārkārtīgi spēcīgs. Faktiski viena veida oglekļa šķiedra - oglekļa nanocaurule— Tiek uzskatīts par spēcīgāko pieejamo materiālu. Karbona šķiedra aplikācijas ietver būvniecību, inženierzinātnes, aviāciju, augstas veiktspējas transportlīdzekļus, sporta aprīkojumu un mūzikas instrumentus. Enerģētikas jomā oglekļa šķiedru izmanto vējdzirnavu asmeņu ražošanā, dabasgāzes uzglabāšanai un degvielas elementu transportēšanai. Gaisa kuģu rūpniecībā tam ir pielietojums gan militāros, gan komerciālos gaisa kuģos, kā arī bezpilota lidaparātos. Naftas izpētei to izmanto dziļūdens urbšanas platformu un cauruļu ražošanā.

Ātrie fakti: oglekļa šķiedras statistika

Oglekļa šķiedra ir izgatavota no organiskiem polimēriem, kas sastāv no garām molekulu virknēm, kuras kopā satur oglekļa atomi. Lielākā daļa oglekļa šķiedru (aptuveni 90%) tiek izgatavotas no poliakrilnitrila (PAN) procesa. Neliels daudzums (apmēram 10%) tiek ražots no viskozes vai naftas piķa procesa.

Gāzes, šķidrumi un citi materiāli, ko izmanto ražošanas procesā, rada oglekļa šķiedras specifiskos efektus, īpašības un pakāpes. Oglekļa šķiedras ražotāji materiāliem, ko tie ražo, izmanto patentētas formulas un izejvielu kombinācijas, un kopumā viņi šos īpašos preparātus uzskata par komercnoslēpumiem.

Augstākās klases oglekļa šķiedra ar visefektīvāko moduli (konstante vai koeficients, ko izmanto, lai izteiktu skaitlisku pakāpi līdz kam vielai piemīt kāda īpaša īpašība, piemēram, elastība), īpašības tiek izmantotas tādos prasīgos lietojumos kā aviācija.

Oglekļa šķiedras izveidošana ietver gan ķīmiskus, gan mehāniskus procesus. Izejvielas, kas pazīstamas kā prekursori, tiek ievilktas garenās šķipsnās un pēc tam sasildītas līdz augstām temperatūrām anaerobā (bez skābekļa) vidē. Tā vietā, lai sadedzinātu, galīgais karstums liek šķiedru atomiem tik spēcīgi vibrēt, ka tiek izraidīti gandrīz visi oglekļa atomi.

Pēc karbonizācijas procesa beigām atlikušo šķiedru veido garas, cieši savstarpēji saistītas oglekļa atoma ķēdes, kurās ir maz vai nav oglekļa atomu. Pēc tam šīs šķiedras tiek ieaustas audumā vai apvienotas ar citiem materiāliem, kas pēc tam tiek pavedināti vai veidoti vēlamajās formās un izmēros.

PAN procesā oglekļa šķiedras ražošanai ir raksturīgi šādi pieci segmenti:

1. Vērpšana. PAN sajauc ar citām sastāvdaļām un savērpjas šķiedrās, kuras pēc tam mazgā un izstiepj.
2. Stabilizējošs. Šķiedras tiek ķīmiski mainītas, lai stabilizētu saiti.
3. Gāzēšana. Stabilizētās šķiedras tiek uzkarsētas līdz ļoti augstai temperatūrai, veidojot cieši saistītus oglekļa kristālus.
4. Apstrādājot virsmu. Šķiedru virsma tiek oksidēta, lai uzlabotu saķeres īpašības.
5. Izmērs. Šķiedras ir pārklātas un uztītas uz spolēm, kuras iekrauj vērpšanas mašīnās, kas šķiedras savērp dažāda lieluma pavedienos. Nevis būt austi audumos, šķiedras var arī veidot salikts materiāliem, izmantojot karstumu, spiedienu vai vakuumu, lai sasaistītu šķiedras kopā ar plastmasas polimēru.

Oglekļa nanocaurules tiek ražotas citā procesā nekā parastās oglekļa šķiedras. Paredzams, ka nanocaurules ir 20 reizes spēcīgākas par to prekursoriem, un tiek kaltas krāsnīs, kurās oglekļa daļiņu iztvaicēšanai izmanto lāzerus.

Oglekļa šķiedru ražošanai ir virkne izaicinājumu, tostarp:

• Nepieciešamība pēc rentablākas atjaunošanas un remonta
• Neizturīgas ražošanas izmaksas dažām lietojumprogrammām: Piemēram, kaut arī jauna tehnoloģija tiek izstrādāta, sakarā ar Pārmērīgas izmaksas, oglekļa šķiedras izmantošana automobiļu rūpniecībā šobrīd ir ierobežota ar augstas veiktspējas un greznību transporta līdzekļiem.
• Virsmas apstrādes process ir rūpīgi jāregulē, lai izvairītos no bedrēm, kuru rezultātā šķiedras ir bojātas.
• Lai nodrošinātu nemainīgu kvalitāti, nepieciešama rūpīga kontrole
• Veselības un drošības jautājumi, tai skaitā ādas un elpošanas kairinājums
• Arkli un šorti elektriskajās iekārtās oglekļa šķiedru spēcīgās elektrovadītspējas dēļ

Tā kā oglekļa šķiedras tehnoloģija turpina attīstīties, oglekļa šķiedras iespējas tikai dažādosies un palielināsies. Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā vairāki pētījumi par oglekļa šķiedru jau parāda liels solījums jaunu ražošanas tehnoloģiju un dizaina radīšanai, lai apmierinātu topošo nozari pieprasīt.

MIT mašīnbūves asociētais profesors Džons Hārts, nanocaurulīšu pionieris, strādā ar saviem studentiem, lai pārveidotu ražošanas tehnoloģija, ieskaitot jaunu materiālu meklēšanu, kas izmantojami kopā ar komerciāla līmeņa 3D printeriem. "Es palūdzu viņiem domāt pilnīgi no sliedēm; ja viņi varētu iedomāties trīsdimensiju printeri, kas nekad nav izgatavots agrāk, vai noderīgu materiālu, kuru nevar izdrukāt, izmantojot pašreizējos printerus, "skaidroja Hārts.

Rezultāti bija mašīnu prototipi, kas drukāja izkausētu stiklu, mīksto saldējumu un oglekļa šķiedras kompozītus. Pēc Harta teiktā, studentu komandas izveidoja arī iekārtas, kas varētu apstrādāt “polimēru paralēlu ekstrūziju lielā laukumā” un veikt drukāšanas procesa “in situ optisko skenēšanu”.

Turklāt Harts strādāja ar MIT ķīmijas asociēto profesoru Mircea Dinca nesen noslēgtajā trīs gadu sadarbībā ar Automobili Lamborghini izpētīt jaunas oglekļa šķiedras un kompozītmateriālu iespējas, kas kādu dienu varētu ne tikai "ļaut visu automašīnas virsbūvi izmantot kā akumulatora sistēma ", bet rada" vieglāku, stiprāku virsbūvi, efektīvākus katalītiskos pārveidotājus, plānāku krāsu un uzlabotu spēka piedziņas siltuma pārnesi [kopumā] ".

Ar šādiem satriecošiem atklājumiem pie horizonta nav brīnums, ka tiek prognozēts, ka oglekļa šķiedras tirgus izaugsme būs no 4,7 USD miljardu 2019. gadā līdz USD 13,3 miljardiem līdz 2029. gadam ar salikto gada pieauguma līmeni (CAGR) 11,0% (vai nedaudz augstāku) tajā pašā laika posmā laiks.

• Makkonela, Vicki. "Oglekļa šķiedras izgatavošana." CompositeWorld. 2008. gada 19. decembris
• Šermens, Dons. "Ārpus oglekļa šķiedras: nākamais izrāviena materiāls ir 20 reizes spēcīgāks." Automašīna un šoferis. 2015. gada 18. marts
• Randall, Danielle. “MIT pētnieki sadarbojas ar Lamborghini, lai izstrādātu nākotnes elektrisko automašīnu. ” MITMECHE / Jaunumos: Ķīmijas katedra. 2017. gada 16. novembris
• "Oglekļa šķiedras tirgus pēc izejvielām (PAN, Piķis, Rajons), Šķiedras tips (Neapstrādāts, Pārstrādāts), Produkta tips, Modulus, Pieteikums (Salikts, nesalikts), galapatēriņa rūpniecība (A & D, automobiļi, vēja enerģija) un reģions - globālā prognoze līdz 2029. gadam. " MarketsandMarkets ™. 2019. gada septembris