Z czego jest wykonane z włókna węglowego?

W erze szybkiego postępu technologicznego materiały z włókna węglowego stały się ulubionym w wielu dziedzinach ze względu na ich wyjątkowe właściwości. Dzięki zaletom, takim jak wysoka wytrzymałość, wysoka moduł, niska gęstość i odporność na korozję, są one szeroko stosowane w lotnisku, produkcji motoryzacyjnej, sprzęcie sportowym i innych. Jak powstaje włókno węglowe? Zbadajmy pochodzenie, rozwój, metody produkcyjne i zastosowania włókna węglowego.

Historia włókna węglowego sięga końca XIX wieku. W 1860 r. Brytyjski naukowiec Joseph Swan wymyślił włókno węglowe podczas opracowywania włókien żarówek. Jednak wydajność włókna węglowego w tym czasie była daleka od ideału, ograniczając jego powszechne zastosowanie. Dopiero w połowie XX wieku, wraz z szybkim rozwojem technologii lotniczej i rosnącym zapotrzebowaniem na materiały o wysokiej wydajności, włókno węglowe zaczęło zwrócić uwagę na jego wyjątkowe nieruchomości. W 1959 r. Akio Shindo z Osaka Industrial Research Institute w Japonii opracował metodę wytwarzania włókna węglowego przy użyciu poliakrylonitrylu (PAN) jako surowca, leżąc podwaliny pod dużą produkcję włókna węglowego. Od tego czasu technologia włókna węglowego nadal rozwija się, a jego wydajność stale się poprawia.

W sektorze lotniczym kompozyty z włókna węglowego stopniowo zastępują tradycyjne metale, stając się kluczowym materiałem strukturalnym dla samolotów, satelitów i innych statków kosmicznych. W produkcji motoryzacyjnej włókno węglowe jest coraz częściej stosowane w celu zmniejszenia masy pojazdu, poprawy oszczędności paliwa oraz poprawy bezpieczeństwa i komfortu. W sprzęcie sportowym włókno węglowe stało się synonimem produktów wysokiej klasy, takich jak kluby golfowe, rowery i rakiety tenisowe.

Włókno węglowe jest włóknem nieorganicznym złożonym przede wszystkim z atomów węgla (ponad 90%) ułożonych w strukturze szkieletu węglowego. Powstaje poprzez pirolizę i karbonizację włókien organicznych, takich jak poliakrylonitryl (PAN), Pitch lub Rayon w wysokich temperaturach. Poniżej znajduje się szczegółowe wprowadzenie:

PAN LODY FIBER:
Używając poliakrylonitrylu jako surowca, ulega polimeryzacji, tworząc poliakrylonitryl, który następnie wiruje się na włókna patelni poprzez proces wirowania. Włókna są następnie wstępnie utokowane przez ogrzewanie do 200–300 ° C w powietrzu, powodując reakcje cyklizacji i utleniania, które tworzą oporną na ciepło strukturę podobną do drabiny. Następnie włókna ulegają karbonizacji w obojętnej atmosferze w temperaturze 1 000–2 000 ° C, usuwając atomy nie węglowodanowe z tworzeniem włókna węglowego. W przypadku wysokowydajnego włókna węglowego stosuje się dodatkowy proces grafityzacji, podgrzewanie włókien zwęglonych do 2500–3 000 ° C w obojętnej atmosferze w celu udoskonalenia struktury krystalicznej i zwiększenia modułu włókna.

Włókno węglowe oparte na skokach:
Używając ropy naftowej lub węgla jako surowca, boisko jest najpierw udoskonalane w celu usunięcia zanieczyszczeń i zwiększenia punktu zmiękczania i lepkości. Następnie wiruje się na włókna skokowe poprzez wirowanie topnie lub wirowanie roztworu. Włókna przechodzą stabilizację (lub „infusbilizację”) poprzez ogrzewanie do 200–400 ° C w powietrzu, indukując reakcje sieciujące w małych cząsteczkach w celu utworzenia struktury odpornej na ciepło. Wreszcie włókna są zwęglone w obojętnej atmosferze w temperaturze 1000–2 000 ° C, usuwając atomy nie węglowodorowe w celu wytwarzania włókna węglowego.