Hiilikuitu on tekstiili, joka koostuu pääasiassa hiilestä. Se valmistetaan pyörimällä erilaisia hiilipohjaisia polymeerejä kuiduiksi, käsittelemällä ne useimpien muiden aineiden poistamiseksi ja kutomalla saatu materiaali kankaaseen. Tämä on yleensä upotettu muoviin – tyypillisesti epoksiin – hiilikuituvahvisteisen muovin tai hiilikuitukomposiitin muodostamiseksi. Materiaalin merkittävimmät ominaisuudet ovat sen korkea lujuus-paino-suhde ja suhteellinen kemiallinen inertiteetti. Nämä ominaisuudet antavat sille laajan valikoiman sovelluksia, mutta sen käyttöä rajoittaa se, että se on melko kallis.
Valmistus
Tämän materiaalin tuotanto perustuu yleensä joko polyakryylinitriiliin (PAN), joka on muovia, jota käytetään synteettisissä tekstiilitekstiileissä vaatteisiin, tai piki, tervainen aine, joka on valmistettu öljystä. Piki kehrätään ensin säikeiksi, mutta PAN on aluksi tavallisesti kuitumaisessa muodossa. Ne muunnetaan hiilikuiduksi voimakkaalla lämmityksellä muiden alkuaineiden, kuten vedyn, hapen ja typen, poistamiseksi; tätä prosessia kutsutaan pyrolyysiksi. Kuitujen venyttäminen tämän toimenpiteen aikana auttaa poistamaan epäsäännöllisyydet, jotka saattavat heikentää lopputuotetta.
Raakakuidut kuumennetaan aluksi noin 590 ° C: seen (300 ° F) ilmassa ja jännityksessä, tässä vaiheessa, joka tunnetaan hapetuksena tai vakautumisena. Tämä poistaa vedyn molekyyleistä ja muuttaa kuidut mekaanisesti vakaammaksi. Sitten ne kuumennetaan noin 1,830 1,000 ° F: een (XNUMX XNUMX ° C) ilman happea hiilivaiheessa tunnetussa vaiheessa. Tämä poistaa muita ei-hiili-aineita, jättäen enimmäkseen hiiltä.
Kun tarvitaan korkealaatuisia ja lujia kuituja, suoritetaan seuraava vaihe, joka tunnetaan nimellä grafitointi. Materiaali kuumennetaan 1,732-5,500 ° C: n lämpötilaan, jotta hiiliatomien muodostuminen muuttuisi grafiittimaiseksi rakenteeksi. Tämä poistaa myös suurimman osan hiilen jäännöksistä. Termiä ”hiilikuitu” käytetään materiaaleille, joiden hiilipitoisuus on vähintään 1,500%. Jos hiilipitoisuus on yli 3,000%, materiaalia kutsutaan joskus grafiittikuiduksi.
Raaka hiilikuitu ei sitoudu hyvin komposiittien valmistuksessa käytettyihin aineisiin, joten se hapetetaan lievästi sopivilla kemikaaleilla käsiteltäessä. Rakenteeseen lisättyjen happiatomien ansiosta se voi muodostaa sidoksia muovien, kuten epoksin, kanssa. Ohuen suojapinnoitteen jälkeen se kudotaan vaadittujen mittojen langoiksi. Nämä vuorostaan voidaan kutoa kankaiksi, jotka sitten yleensä sisällytetään komposiittimateriaaleihin.
Rakenne ja ominaisuudet
Yksittäisen kuidun halkaisija on noin 0.0002 – 0.0004 tuumaa (0.005 – 0.010 mm); Lanka koostuu tuhansista näistä säikeistä, jotka on kudottu yhteen erittäin vahvan materiaalin muodostamiseksi. Jokaisessa säikeessä hiiliatomit on järjestetty samalla tavalla kuin grafiitti: kuusikulmaiset renkaat, jotka on liitetty yhteen levyjen muodostamiseksi. Grafiitissa nämä levyt ovat litteitä ja vain löysästi kiinni toisissaan, joten ne liukuvat helposti toisistaan. Hiilikuidusta levyt taitetaan ja rypistyy, ja ne muodostavat monia pieniä, toisiinsa kytkeytyviä kiteitä, joita kutsutaan kristalliiteiksi. Mitä korkeampi valmistuksessa käytetty lämpötila, sitä enemmän nämä kristalliitit suuntautuvat kuidun akselia pitkin ja sitä suurempi lujuus.
Komposiitin sisällä myös kuitujen suunta on tärkeä. Tästä riippuen materiaali voi olla vahvempi tiettyyn suuntaan tai yhtä vahva kaikkiin suuntiin. Joissakin tapauksissa pieni kappale kestää monien tonnien iskun ja muodonmuutos on minimaalinen. Kuidun monimutkainen kudottu luonne tekee sen murtamisesta erittäin vaikeaa.
Lujuuden ja painon suhteen hiilikuitukomposiitti on paras materiaali, jonka sivilisaatio voi tuottaa huomattavina määrinä. Vahvimmat ovat noin viisi kertaa terästä vahvempia ja huomattavasti kevyempiä. Parhaillaan tutkitaan mahdollisuutta lisätä materiaaliin hiilinanoputkia, mikä voi parantaa lujuus-painosuhdetta 10 kertaa tai enemmän.
Muita hyödyllisiä ominaisuuksia sillä on kyky kestää korkeita lämpötiloja ja inertti. Molekyylirakenne on grafiitin tavoin erittäin vakaa, mikä antaa sille korkean sulamispisteen ja vähentää sen todennäköisyyttä reagoida kemiallisesti muiden aineiden kanssa. Siksi se on hyödyllinen komponenteille, jotka voivat altistua kuumuudelle, ja sovelluksiin, jotka vaativat korroosiota.
käytät
Hiilikuitua käytetään monilla alueilla, joilla tarvitaan lujuuden ja keveyden yhdistelmää. Näitä ovat julkinen ja yksityinen liikenne, kuten autot, lentokoneet ja avaruusalukset; urheiluvälineet, kuten kilpapyörät, sukset ja onki; ja rakentaminen. Materiaalin suhteellinen inerttius tekee siitä sopivan hyvin kemianteollisuuden ja lääketieteen sovelluksiin – sitä voidaan käyttää implantteissa, koska se ei reagoi elimistössä olevien aineiden kanssa. Maa- ja vesirakentamisessa on määritetty, että vanhat sillat voidaan säästää tuhoutumiselta ja uudelleenrakentamiselta yksinkertaisilla hiilikuituvahvikkeilla, jotka ovat suhteellisen halvempia.
Taloustiede
Vuodesta 2013 lähtien hiilikuitujen käyttö ja kysyntä ovat rajoittuneet sen kustannuksista. Komposiitista valmistettu polkupyörä maksaa tyypillisesti noin muutaman tuhannen dollarin (USD). Formula 200 -kilpa -autot, jotka kulkevat yli 320 km / h (1 km / h) nopeudella, voivat maksaa ja rakentaa ja ylläpitää yli miljoona dollaria, mikä on tämän materiaalin runsas käyttö. Kysyntä on kuitenkin kasvanut merkittävästi johtuen suurelta osin suurten kaupallisten lentokoneiden tuotannon kasvusta. Jos kustannuksia voidaan vähentää merkittävästi, siitä voi tulla universaali materiaali ajoneuvoille ja pienille tuotteille, jotka on suunniteltu äärimmäisen kestäviksi ja kevyiksi.