Jak powstaje włókno węglowe?
Produkcja, zastosowania i przyszłość tego mocnego, lekkiego materiału
- / AFP / Getty Images
Nazywany również włóknem grafitowym lub grafitem węglowym, włókno węglowe składa się z bardzo cienkich pasm pierwiastka węglowego. Włókna te mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i są niezwykle wytrzymałe jak na swój rozmiar. W rzeczywistości jedna forma włókna węglowego — Nanorurka węglowa — jest uważany za najmocniejszy dostępny materiał. Włókno węglowe Aplikacje obejmują budownictwo, inżynierię, lotnictwo, pojazdy o wysokich osiągach, sprzęt sportowy i instrumenty muzyczne. W dziedzinie energetyki włókno węglowe jest wykorzystywane do produkcji łopat wiatraków, magazynowania gazu ziemnego oraz ogniw paliwowych do transportu. W przemyśle lotniczym ma zastosowanie zarówno w samolotach wojskowych i komercyjnych, jak i bezzałogowych statkach powietrznych. Do eksploracji ropy naftowej jest używany do produkcji platform i rur głębinowych.
Szybkie fakty: statystyki dotyczące włókna węglowego
- Każde pasmo włókna węglowego ma średnicę od 5 do 10 mikronów. Aby pokazać, jak mały to jest, jeden mikron (um) to 0,000039 cala. Pojedyncze pasmo pajęczyny ma zwykle od trzech do ośmiu mikronów.
- Włókna węglowe są dwa razy sztywniejsze od stali i pięć razy mocniejsze od stali (na jednostkę masy). Są również wysoce odporne chemicznie i mają tolerancję na wysoką temperaturę przy niskiej rozszerzalności cieplnej.
Surowy materiał
Włókno węglowe jest wykonane z polimerów organicznych, które składają się z długich łańcuchów cząsteczek połączonych atomami węgla. Większość włókien węglowych (około 90%) jest wytwarzana w procesie poliakrylonitrylu (PAN). Niewielka ilość (około 10%) jest wytwarzana z sztucznego jedwabiu lub w procesie smoły naftowej.
Gazy, ciecze i inne materiały wykorzystywane w procesie produkcyjnym tworzą określone efekty, właściwości i gatunki włókna węglowego. Producenci włókien węglowych stosują zastrzeżone formuły i kombinacje surowców do produkowanych przez siebie materiałów i ogólnie traktują te specyficzne formuły jako tajemnice handlowe.
Najwyższej jakości włókno węglowe o najbardziej wydajnym module (stała lub współczynnik używany do wyrażania liczbowego stopnia, w jakim substancja posiada określoną właściwość, taką jak elastyczność) jest wykorzystywana w wymagających zastosowaniach, takich jak lotnictwo.
Proces produkcji
Tworzenie włókna węglowego obejmuje zarówno procesy chemiczne, jak i mechaniczne. Surowce, znane jako prekursory, są wciągane w długie pasma, a następnie podgrzewane do wysokiej temperatury w środowisku beztlenowym (beztlenowym). Zamiast spalania, ekstremalne ciepło powoduje, że atomy włókien wibrują tak gwałtownie, że prawie wszystkie atomy niewęglowe są wyrzucane.
Po zakończeniu procesu karbonizacji pozostałe włókno składa się z długich, ściśle splecionych łańcuchów atomów węgla z niewielką liczbą lub bez pozostałych atomów węgla. Włókna te są następnie wplatane w tkaninę lub łączone z innymi materiałami, które są następnie nawijane lub formowane w pożądane kształty i rozmiary.
W procesie PAN do produkcji włókna węglowego typowych jest pięć następujących segmentów:
- Potrzeba bardziej opłacalnego odzyskiwania i naprawy
- Niezrównoważone koszty produkcji dla niektórych zastosowań: Na przykład, mimo że nowa technologia jest w trakcie opracowywania, ze względu na zaporowe koszty, zastosowanie włókna węglowego w przemyśle samochodowym jest obecnie ograniczone do pojazdów o wysokich osiągach i luksusowych.
- Proces obróbki powierzchni musi być dokładnie regulowany, aby uniknąć powstawania wżerów, które prowadzą do wadliwych włókien.
- Wymagana ścisła kontrola w celu zapewnienia stałej jakości
- Kwestie BHP, w tym podrażnienie skóry i dróg oddechowych
- Łuki i zwarcia w urządzeniach elektrycznych ze względu na silne przewodnictwo elektryczne włókien węglowych
- McConnella, Vicki. ' Produkcja włókna węglowego . Złożony Świat . 19 grudnia 2008
- Sherman, Don. ' Beyond Carbon Fibre: Następny przełomowy materiał jest 20 razy mocniejszy. ' Samochód i kierowca. 18 marca 2015
- Randall, Danielle. Naukowcy z MIT współpracują z Lamborghini, aby opracować elektryczny samochód przyszłości . MITMECHE/In The News: Wydział Chemii. 16 listopada 2017 r.
- „Rynek włókien węglowych według surowców (PAN, smoła, sztuczny jedwab), rodzaj włókna (pierwotne, z recyklingu), rodzaj produktu, moduł, zastosowanie (kompozytowe, niekompozytowe), przemysł końcowy (A & D, motoryzacja, energia wiatrowa ) oraz Region — prognoza globalna do 2029 r.”. Rynki i Rynki. wrzesień 2019
Nanorurki węglowe są wytwarzane w innym procesie niż standardowe włókna węglowe. Szacuje się, że są 20 razy silniejsze niż ich prekursory, nanorurki są wykuwane w piecach wykorzystujących lasery do odparowywania cząstek węgla.
Wyzwania produkcyjne
Produkcja włókien węglowych niesie ze sobą szereg wyzwań, w tym:
Przyszłość włókna węglowego
Ponieważ technologia włókna węglowego nadal ewoluuje, możliwości dla włókna węglowego będą się tylko różnicować i zwiększać. W Massachusetts Institute of Technology kilka badań skupiających się na włóknie węglowym już pokazuje wiele obiecujących możliwości stworzenia nowej technologii produkcji i projektowania, aby sprostać pojawiającym się wymaganiom przemysłu.
MIT Associate Professor inżynierii mechanicznej John Hart, pionier nanorurek, pracuje ze swoimi studentami nad przekształceniem technologii produkcji, w tym szukaniem nowych materiałów do wykorzystania w komercyjnych drukarkach 3D. „Poprosiłem ich, aby myśleli zupełnie niekonwencjonalnie; gdyby mogli wyobrazić sobie drukarkę 3D, która nigdy wcześniej nie była produkowana, lub użyteczny materiał, którego nie można wydrukować przy użyciu obecnych drukarek” – wyjaśnił Hart.
W rezultacie uzyskano prototypowe maszyny, które drukowały stopione szkło, lody do serwowania w płynie oraz kompozyty z włókna węglowego. Według Harta, zespoły studenckie stworzyły również maszyny, które mogły obsługiwać duże powierzchnie równoległe wytłaczania polimerów i wykonywać optyczne skanowanie in situ procesu drukowania.
Ponadto Hart współpracował z profesorem chemii MIT Mircea Dinca w niedawno zakończonej trzyletniej współpracy z Automobili Lamborghini, aby zbadać możliwości nowych włókien węglowych i materiałów kompozytowych, które pewnego dnia mogą nie tylko „umożliwić pełne nadwozie samochodu”. stosowany jako system akumulatorów”, ale prowadzi do „lżejszych, mocniejszych korpusów, wydajniejszych katalizatorów, cieńszej farby i lepszego przenoszenia ciepła w układzie napędowym [ogólnie]”.
Przy tak oszałamiających przełomach na horyzoncie nic dziwnego, że prognozuje się, że rynek włókien węglowych wzrośnie z 4,7 mld USD w 2019 r. do 13,3 mld USD do 2029 r., przy złożonej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 11,0% (lub nieco więcej) w tym samym okresie.