Weihai Snowwing Outdoor Equipment., Ltd.
Kvalita Je Duší Podniku

Jak se vyrábí uhlíkové vlákno?

Jak se vyrábí uhlíkové vlákno?

Výroba, použití a budoucnost tohoto pevného a lehkého materiálu

Uhlíkové vlákno se také nazývá grafitové vlákno nebo uhlíkový grafit a skládá se z velmi tenkých vláken prvku uhlíku. Tato vlákna mají vysokou pevnost v tahu a jsou extrémně pevná na svou velikost. Ve skutečnosti je jedna forma uhlíkových vláken – uhlíková nanotrubice – považována za nejpevnější dostupný materiál. Aplikace uhlíkových vláken zahrnují stavebnictví, strojírenství, letecký průmysl, vysoce výkonná vozidla, sportovní vybavení a hudební nástroje. V oblasti energetiky se uhlíková vlákna používají při výrobě lopatek větrných mlýnů, skladování zemního plynu a palivových článků pro dopravu. V leteckém průmyslu má uplatnění jak ve vojenských a komerčních letadlech, tak i v bezpilotních vzdušných prostředcích. Pro průzkum ropy se používá při výrobě hlubinných vrtných plošin a potrubí.

Rychlá fakta: Statistika uhlíkových vláken

  • Každý pramen uhlíkového vlákna má průměr 5 až 10 mikronů. Abyste měli představu, jak malé to je, jeden mikron (um) je 0,000039 palce. Jeden pramen pavučinového hedvábí má obvykle tři až osm mikronů.
  • Uhlíková vlákna jsou dvakrát tužší než ocel a pětkrát pevnější než ocel (na jednotku hmotnosti). Jsou také vysoce chemicky odolné a mají toleranci vůči vysokým teplotám s nízkou tepelnou roztažností.

Suroviny
Uhlíkové vlákno je vyrobeno z organických polymerů, které se skládají z dlouhých řetězců molekul držených pohromadě atomy uhlíku. Většina uhlíkových vláken (asi 90 %) je vyrobena procesem polyakrylonitrilu (PAN). Malé množství (asi 10 %) se vyrábí z umělého hedvábí nebo procesem ropné smoly.

Plyny, kapaliny a další materiály používané ve výrobním procesu vytvářejí specifické efekty, kvality a třídy uhlíkových vláken. Výrobci uhlíkových vláken používají pro materiály, které vyrábějí, patentované receptury a kombinace surovin a obecně s těmito specifickými formulacemi zacházejí jako s obchodním tajemstvím.

Uhlíková vlákna nejvyšší kvality s nejúčinnějším modulem (konstanta nebo koeficient používaný k vyjádření číselného stupně, do kterého látka má určitou vlastnost, jako je elasticita) vlastnostmi se používají v náročných aplikacích, jako je letecký průmysl.

Výrobní proces
Výroba uhlíkových vláken zahrnuje chemické i mechanické procesy. Suroviny, známé jako prekurzory, jsou taženy do dlouhých vláken a poté zahřívány na vysoké teploty v anaerobním (bezkyslíkovém) prostředí. Spíše než spalování, extrémní teplo způsobuje, že atomy vláken vibrují tak prudce, že jsou téměř všechny neuhlíkové atomy vypuzeny.

Po dokončení procesu karbonizace je zbývající vlákno tvořeno dlouhými, těsně propojenými řetězci atomů uhlíku, ve kterých zbývá jen málo nebo žádné neuhlíkové atomy. Tato vlákna jsou následně vetkána do tkaniny nebo kombinována s jinými materiály, které jsou následně navíjeny nebo tvarovány do požadovaných tvarů a velikostí.

Následujících pět segmentů je typických pro proces PAN pro výrobu uhlíkových vláken:

  • Předení. PAN se smíchá s dalšími přísadami a spřádá se do vláken, která se pak perou a natahují.
  • Stabilizační. Vlákna procházejí chemickou změnou, aby se stabilizovalo spojení.
  • Karbonizace. Stabilizovaná vlákna se zahřívají na velmi vysokou teplotu a tvoří pevně spojené uhlíkové krystaly.
  • Ošetření povrchu. Povrch vláken je oxidován pro zlepšení vazebných vlastností.
  • Dimenzování. Vlákna jsou potahována a navíjena na cívky, které jsou nakládány na spřádací stroje, které vlákna stáčejí do různě velkých přízí. Namísto tkaní do tkanin mohou být vlákna také tvarována do kompozitních materiálů pomocí tepla, tlaku nebo vakua ke spojení vláken dohromady s plastovým polymerem.

Uhlíkové nanotrubice se vyrábějí jiným procesem než standardní uhlíková vlákna. Odhaduje se, že nanotrubice jsou 20krát pevnější než jejich prekurzory, jsou kované v pecích, které využívají lasery k odpařování uhlíkových částic.

Výrobní výzvy
Výroba uhlíkových vláken s sebou nese řadu problémů, včetně:

  • Potřeba nákladově efektivnější obnovy a opravy
  • Neudržitelné výrobní náklady pro některé aplikace: Například, i když je nová technologie ve vývoji, je použití uhlíkových vláken v automobilovém průmyslu v současnosti omezeno na vysoce výkonná a luxusní vozidla.
  • Proces povrchové úpravy musí být pečlivě regulován, aby se zabránilo vytváření důlků, které vedou k vadným vláknům.
  • Pro zajištění stálé kvality je nutná přísná kontrola
  • Otázky zdraví a bezpečnosti včetně podráždění kůže a dýchání
  • Jiskření a zkraty v elektrických zařízeních v důsledku silné elektrické vodivosti uhlíkových vláken

Budoucnost uhlíkových vláken
Jak se technologie uhlíkových vláken neustále vyvíjí, možnosti uhlíkových vláken se budou pouze diverzifikovat a zvyšovat. Na Massachusettském technologickém institutu již několik studií zaměřených na uhlíková vlákna ukazuje velký příslib pro vytvoření nové výrobní technologie a designu pro uspokojení nově vznikající průmyslové poptávky.

Docent strojního inženýrství na MIT John Hart, průkopník nanotrubiček, pracuje se svými studenty na transformaci technologie pro výrobu, včetně zkoumání nových materiálů, které lze použít ve spojení s komerčními 3D tiskárnami. "Požádal jsem je, aby uvažovali úplně mimo mísu." kdyby dokázali vymyslet 3D tiskárnu, která nikdy předtím nebyla vyrobena, nebo užitečný materiál, který nelze vytisknout pomocí současných tiskáren,“ vysvětlil Hart.

Výsledkem byly prototypy strojů, které tiskly roztavené sklo, servírovanou zmrzlinu a kompozity z uhlíkových vláken. Podle Harta studentské týmy také vytvořily stroje, které by mohly zvládnout „velkoplošné paralelní vytlačování polymerů“ a provádět „optické skenování in situ“ tiskového procesu.

Kromě toho Hart spolupracoval s docentem chemie MIT Mirceou Dincou na nedávno uzavřené tříleté spolupráci s Automobili Lamborghini s cílem prozkoumat možnosti nových uhlíkových vláken a kompozitních materiálů, které by jednoho dne mohly nejen „umožnit, aby byla celá karoserie vozu používá jako systém baterií“, ale vede k „lehčím, pevnějším karoseriím, účinnějším katalyzátorům, tenčímu laku a zlepšenému přenosu tepla hnacího ústrojí [celkově]“.

S tak úžasnými průlomy na obzoru není divu, že se předpokládá, že trh s uhlíkovými vlákny vzroste ze 4,7 miliardy $ v roce 2019 na 13,3 miliardy $ do roku 2029, při složené roční míře růstu (CAGR) 11,0 % (nebo mírně vyšší) oproti stejné časové období.

Prameny

  • McConnell, Vicki. "Výroba uhlíkových vláken." CompositeWorld. 19. prosince 2008
  • Shermane, Done. "Beyond Carbon Fiber: The Next Breakman Material is 20 krát pevnější." Auto a řidič. 18. března 2015
  • Randall, Danielle. "Výzkumní pracovníci MIT spolupracují s Lamborghini na vývoji elektrického vozu budoucnosti." MITMECHE/In The News: Katedra chemie. 16. listopadu 2017
  • „Trh uhlíkových vláken podle surovin (PAN, Pitch, Rayon), typu vlákna (panenská, recyklovaná), typu produktu, modulu, aplikace (kompozitní, nekompozitní), průmyslu konečného použití (A & D, Automobilový průmysl, Větrná energie ) a Region – Globální předpověď do roku 2029.“ MarketsandMarkets™. září 2019

Čas odeslání: 28. července 2021