Όλα για τις ίνες άνθρακα και πώς γίνεται

Επίσης ονομάζεται ίνα γραφίτη ή γραφίτης άνθρακα, ίνα άνθρακα αποτελείται από πολύ λεπτές έλικες του άνθρακα των στοιχείων. Αυτές οι ίνες έχουν μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό και είναι εξαιρετικά ισχυρές για το μέγεθός τους. Στην πραγματικότητα, μια μορφή ινών άνθρακα-η νανοσωλήνα άνθρακα- θεωρείται το ισχυρότερο διαθέσιμο υλικό. Ινα άνθρακα εφαρμογών περιλαμβάνουν την κατασκευή, τη μηχανική, την αεροδιαστημική, τα οχήματα υψηλής απόδοσης, τον αθλητικό εξοπλισμό και τα μουσικά όργανα. Στον τομέα της ενέργειας, οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται στην παραγωγή πτερυγίων ανεμόμυλων, αποθήκευσης φυσικού αερίου και κυψελών καυσίμου για μεταφορά. Στον τομέα των αεροσκαφών, έχει εφαρμογές τόσο σε στρατιωτικά όσο και σε εμπορικά αεροσκάφη, καθώς και σε μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα. Για την εξερεύνηση πετρελαίου, χρησιμοποιείται στην κατασκευή πλατφορμών και σωλήνων γεώτρησης βαθέων υδάτων.

Γρήγορα γεγονότα: Στατιστικές οπτικών ινών άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα είναι κατασκευασμένες από οργανικά πολυμερή, τα οποία αποτελούνται από μακριές χορδές μορίων που συγκρατούνται από άτομα άνθρακα. Οι περισσότερες ίνες άνθρακα (περίπου 90%) κατασκευάζονται από τη μέθοδο πολυακρυλονιτριλίου (PAN). Μία μικρή ποσότητα (περίπου 10%) κατασκευάζεται από το ρεγιόν ή τη διαδικασία του πετρελαίου.

Τα αέρια, τα υγρά και άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία παραγωγής δημιουργούν συγκεκριμένα αποτελέσματα, ποιότητες και ποιότητες ινών άνθρακα. Κατασκευαστές ινών άνθρακα να χρησιμοποιήσουν ιδιόκτητους τύπους και συνδυασμούς πρώτων υλών για τα υλικά που παράγουν και γενικότερα αντιμετωπίζουν αυτές τις συγκεκριμένες συνθέσεις ως εμπορικά μυστικά.

Οι υψηλότερες ποιότητες ινών άνθρακα με το πιο αποδοτικό μέτρο (μια σταθερά ή συντελεστής που χρησιμοποιείται για την έκφραση ενός αριθμητικού βαθμού σε που μια ουσία έχει μια συγκεκριμένη ιδιότητα, όπως η ελαστικότητα) οι ιδιότητες χρησιμοποιούνται σε απαιτητικές εφαρμογές όπως αεροδιαστημικής.

Η δημιουργία ινών άνθρακα περιλαμβάνει τόσο χημικές όσο και μηχανικές διεργασίες. Οι πρώτες ύλες, που είναι γνωστές ως πρόδρομες ουσίες, τραβιούνται σε μακριές αλυσίδες και στη συνέχεια θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες σε ένα αναερόβιο περιβάλλον χωρίς οξυγόνο. Αντί να καίγεται, η υπερβολική θερμότητα αναγκάζει τα άτομα των ινών να δονήσουν τόσο βίαια ώστε σχεδόν όλα τα άτομα που δεν είναι άνθρακα να εκδιωχθούν.

Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία της απομάκρυνσης του άνθρακα, η υπόλοιπη ίνα αποτελείται από μεγάλες, στενά συνδεδεμένες αλυσίδες ατόμων άνθρακα με λίγα ή καθόλου υπόλοιπα άτομα άνθρακα. Αυτές οι ίνες ακολούθως υφαίνονται στο ύφασμα ή συνδυάζονται με άλλα υλικά τα οποία κατόπιν τυλίγονται με νήμα ή χυτεύονται στα επιθυμητά σχήματα και μεγέθη.

Τα ακόλουθα πέντε τμήματα είναι τυπικά στη διαδικασία PAN για την κατασκευή ινών άνθρακα:

1. Κλώση. Το PAN αναμιγνύεται με άλλα συστατικά και περιστρέφεται σε ίνες, οι οποίες κατόπιν πλένονται και τεντώνονται.
2. Σταθεροποίηση. Οι ίνες υποβάλλονται σε χημική αλλοίωση για να σταθεροποιηθούν οι δεσμοί.
3. Ανθρακούχο. Οι σταθεροποιημένες ίνες θερμαίνονται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία σχηματίζοντας στενά συνδεδεμένους κρυστάλλους άνθρακα.
4. Επεξεργασία της επιφάνειας. Η επιφάνεια των ινών οξειδώνεται για να βελτιωθούν οι ιδιότητες σύνδεσης.
5. Κόλλα. Οι ίνες είναι επικαλυμμένες και τυλιγμένες σε μπομπίνες, οι οποίες φορτώνονται σε μηχανές νηματοποίησης που στρίβουν τις ίνες σε νήματα διαφορετικού μεγέθους. Αντί να είναι υφασμένα σε υφάσματα, οι ίνες μπορούν επίσης να διαμορφωθούν σύνθετος υλικά, χρησιμοποιώντας θερμότητα, πίεση ή κενό για να δεσμεύσουν τις ίνες μαζί με ένα πλαστικό πολυμερές.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα κατασκευάζονται με διαφορετική μέθοδο από τις τυπικές ίνες άνθρακα. Εκτιμώμενοι 20 φορές ισχυρότεροι από τους πρόδρομους, οι νανοσωλήνες σφυρηλατούνται σε φούρνους που χρησιμοποιούν λέιζερ για να εξατμίσουν σωματίδια άνθρακα.

Η παραγωγή ινών άνθρακα επιφέρει ορισμένες προκλήσεις, μεταξύ των οποίων:

• Η ανάγκη για πιο αποδοτική ανάκτηση και επισκευή
• Μη βιώσιμα κόστη κατασκευής για ορισμένες εφαρμογές: Για παράδειγμα, παρόλο που η νέα τεχνολογία βρίσκεται σε εξέλιξη, λόγω απαγορευτικό κόστος, η χρήση ινών άνθρακα στην αυτοκινητοβιομηχανία περιορίζεται επί του παρόντος σε υψηλές επιδόσεις και πολυτέλεια οχήματα.
• Η διαδικασία επεξεργασίας επιφανειών πρέπει να ρυθμίζεται προσεκτικά ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία κοιλοτήτων που προκαλούν ελαττωματικές ίνες.
• Απαιτείται στενός έλεγχος για τη διασφάλιση σταθερής ποιότητας
• Θέματα υγείας και ασφάλειας, συμπεριλαμβανομένου του ερεθισμού του δέρματος και της αναπνοής
• Άνοιξη και σορτς σε ηλεκτρικό εξοπλισμό λόγω της ισχυρής ηλεκτροαγωγιμότητας των ινών άνθρακα

Καθώς η τεχνολογία των ινών άνθρακα συνεχίζει να εξελίσσεται, οι δυνατότητες για ίνες άνθρακα θα διαφοροποιούνται και θα αυξάνονται μόνο. Στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, αρκετές μελέτες που επικεντρώνονται στις ίνες άνθρακα δείχνουν ήδη ένα μεγάλη υπόσχεση για τη δημιουργία νέας τεχνολογίας κατασκευής και σχεδιασμού για την κάλυψη της αναδυόμενης βιομηχανίας ζήτηση.

MIT Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχανολογίας John Hart, πρωτοπόρος νανοσωλήνων, συνεργάζεται με τους μαθητές του για να μεταμορφώσει την τεχνολογία για την κατασκευή, συμπεριλαμβανομένης της αναζήτησης νέων υλικών που θα χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με τους εμπορικούς τρισδιάστατους εκτυπωτές. "Τους ρώτησα να σκέφτονται εντελώς από τις σιδηροτροχιές? αν μπορούσαν να συλλάβουν έναν εκτυπωτή 3-D που δεν έχει κατασκευαστεί ποτέ πριν ή ένα χρήσιμο υλικό που δεν μπορεί να εκτυπωθεί χρησιμοποιώντας τρέχοντες εκτυπωτές », εξήγησε ο Hart.

Τα αποτελέσματα ήταν πρωτότυπα μηχανήματα που εκτυπώνουν λιωμένο γυαλί, μαλακό σερβίρισμα παγωτού και σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Σύμφωνα με τον Hart, οι ομάδες μαθητών δημιούργησαν επίσης μηχανές που θα μπορούσαν να χειριστούν "παράλληλη εξώθηση μεγάλων επιφανειών πολυμερών" και να εκτελέσουν "in situ οπτική σάρωση" της διαδικασίας εκτύπωσης.

Επιπλέον, ο Χαρτ συνεργάστηκε με τον Αναπληρωτή Καθηγητή Χημείας του MIT, Μιρτσέα Ντιντσά, για την τριετή συνεργασία που είχε συνάψει πρόσφατα με την Automobili Lamborghini να διερευνήσει τις δυνατότητες νέων ινών άνθρακα και σύνθετων υλικών που θα μπορούσαν κάποτε όχι μόνο να «επιτρέψουν τη χρήση ολόκληρου του αμαξώματος του αυτοκινήτου ως αλλά οδηγούν σε "ελαφρύτερα, ισχυρότερα σώματα, πιο αποδοτικούς καταλυτικούς μετατροπείς, λεπτότερα χρώματα και βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας σε ηλεκτρικό σύστημα [συνολικά]".

Με τέτοιες εκπληκτικές ανακαλύψεις στον ορίζοντα, δεν είναι περίεργο ότι η αγορά των ινών άνθρακα έχει προβλεφθεί να αυξηθεί από $ 4,7 από 2029 σε 13,3 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2029, με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 11,0% (ή ελαφρώς υψηλότερο) κατά την ίδια περίοδο χρόνος.

• McConnell, Βίκι. "Η παραγωγή ινών άνθρακα." CompositeWorld. 19 Δεκεμβρίου 2008
• Σέρμαν, Ντον. "Πέρα από τις ίνες άνθρακα: Το επόμενο υλικό είναι 20 φορές ισχυρότερο." Αυτοκίνητο και οδηγός. 18 Μαρτίου 2015
• Ράνταλ, Ντανιέλ. “Οι ερευνητές του MIT συνεργάζονται με τη Lamborghini για να αναπτύξουν ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο του μέλλοντος. " MITMECHE / Στην Νέα: Τμήμα Χημείας. 16 Νοεμβρίου 2017
• "Αγορά ίνας άνθρακα ανά πρώτη ύλη (PAN, Pitch, Rayon), Τύπος ινών (Virgin, Ανακυκλωμένο), Τύπος προϊόντος, Modulus, Εφαρμογή (Σύνθετα, μη σύνθετα), βιομηχανία τελικής χρήσης (A & D, αυτοκινητοβιομηχανία, αιολική ενέργεια) και συνολική πρόβλεψη περιφέρειας έως το 2029. " MarketsandMarkets ™. Σεπτέμβριος 2019