Ogljikova vlakna so tekstil, sestavljen predvsem iz ogljika. Proizvaja se s predenjem različnih polimerov na osnovi ogljika v vlakna, njihovo obdelavo, da odstrani večino drugih snovi, in tkanje nastalega materiala v tkanino. To je običajno vgrajeno v plastiko – običajno epoksi – za tvorbo plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, ali kompozita z ogljikovimi vlakni. Najpomembnejše lastnosti materiala so njegovo visoko razmerje med trdnostjo in težo in relativna kemična inertnost. Te lastnosti mu dajejo širok spekter uporabe, vendar je njegova uporaba omejena zaradi dejstva, da je precej drag.
Izdelava
Proizvodnja tega materiala običajno temelji na poliakrilonitrilu (PAN), plastiki, ki se uporablja v sintetičnem tekstilu za oblačila, ali smoli, katranu podobni snovi, izdelani iz nafte. Smola se najprej prede v pramene, vendar je PAN za začetek običajno v vlaknasti obliki. Z močnim segrevanjem se pretvorijo v ogljikova vlakna, da odstranijo druge elemente, kot so vodik, kisik in dušik; ta proces je znan kot piroliza. Raztezanje vlaken med tem postopkom pomaga odstraniti nepravilnosti, ki lahko oslabijo končni izdelek.
Surova vlakna se sprva segrejejo na okoli 590°F (300°C) na zraku in pod napetostjo, v fazi, znani kot oksidacija ali stabilizacija. S tem odstranimo vodik iz molekul in pretvorimo vlakna v mehansko bolj stabilno obliko. Nato se v odsotnosti kisika segrejejo na približno 1,830 °F (1,000 °C) v fazi, znani kot karbonizacija. S tem se odstrani nadaljnji neogljični material, pri čemer ostane večinoma ogljik.
Ko so potrebna visokokakovostna vlakna visoke trdnosti, se izvede nadaljnja faza, znana kot grafitizacija. Material se segreje na temperaturo med 1,732 in 5,500 °F (1,500 do 3,000 °C), da se tvorba ogljikovih atomov pretvori v strukturo, podobno grafitu. S tem se odstrani tudi večina preostalih neogljikovih atomov. Izraz “ogljikova vlakna” se uporablja za material z vsebnostjo ogljika najmanj 90%. Kjer je vsebnost ogljika večja od 99 %, se material včasih imenuje grafitna vlakna.
Surova ogljikova vlakna, ki nastanejo, se ne vežejo dobro s snovmi, ki se uporabljajo za izdelavo kompozitov, zato se z obdelavo s primernimi kemikalijami rahlo oksidirajo. Atomi kisika, dodani strukturi, ji omogočajo tvorbo vezi s plastiko, kot je epoksi. Po nanosu tanke zaščitne prevleke se plete v preje zahtevanih dimenzij. Te pa je mogoče vtkati v tkanine, ki se nato običajno vključijo v kompozitne materiale.
Struktura in lastnosti
Posamezno vlakno ima premer približno 0.0002 do 0.0004 palca (0.005 do 0.010 mm); preja je sestavljena iz več tisoč teh pramenov, tkanih skupaj, da tvorijo izjemno močan material. Znotraj vsake verige so atomi ogljika razporejeni na podoben način kot grafit: šesterokotni obroči, združeni skupaj, da tvorijo liste. Pri grafitu so te plošče ravne in med seboj ohlapno povezane, tako da zlahka zdrsnejo narazen. V ogljikovih vlaknih so listi zloženi in zmečkani ter tvorijo veliko drobnih, prepletenih kristalov, znanih kot kristaliti. Višja kot je temperatura, uporabljena v proizvodnji, bolj se ti kristaliti orientirajo vzdolž osi vlakna in večja je trdnost.
Znotraj kompozita je pomembna tudi orientacija samih vlaken. Glede na to je lahko material močnejši v določeni smeri ali enako močan v vseh smereh. V nekaterih primerih lahko majhen kos prenese udarce več ton in se še vedno minimalno deformira. Zaradi zapletene prepletenosti vlaken je zelo težko zlomiti.
Glede na razmerje med trdnostjo in težo je kompozit iz ogljikovih vlaken najboljši material, ki ga civilizacija lahko proizvede v znatnih količinah. Najmočnejši so približno petkrat močnejši od jekla in precej lažji. V teku so raziskave o možnosti uvedbe ogljikovih nanocevk v material, kar bi lahko izboljšalo razmerje med trdnostjo in težo za 10-krat ali več.
Druge uporabne lastnosti, ki jih ima, so njegova sposobnost, da prenese visoke temperature in inertnost. Molekularna struktura je, tako kot grafit, zelo stabilna, zaradi česar ima visoko tališče in zmanjša verjetnost, da bo kemično reagiral z drugimi snovmi. Zato je uporaben za komponente, ki so lahko izpostavljene toploti, in za aplikacije, ki zahtevajo odpornost proti koroziji.
uporabljate
Ogljikova vlakna se uporabljajo na številnih področjih, kjer je potrebna kombinacija visoke trdnosti in majhne teže. Ti vključujejo javni in zasebni prevoz, kot so avtomobili, letala in vesoljska plovila; Športna oprema, kot so dirkalna kolesa, smuči in ribiške palice; in gradnjo. Zaradi relativne inertnosti materiala je zelo primeren za uporabo v kemični industriji in medicini – lahko se uporablja v vsadkih, saj ne bo reagiral s snovmi v telesu. V gradbeništvu je bilo ugotovljeno, da je mogoče stare mostove prihraniti pred uničenjem in obnovo s preprostimi ojačitvami iz ogljikovih vlaken, ki so razmeroma cenejše.
Economics
Od leta 2013 sta bila uporaba in povpraševanje po ogljikovih vlaknih omejena z njihovimi stroški. Kolo, izdelano iz kompozita, običajno stane okoli nekaj tisoč ameriških dolarjev (USD). Izdelava in vzdrževanje dirkalnikov formule ena, ki potujejo s hitrostjo nad 200 mph (320 km/h), lahko stanejo več kot 1 milijon USD, kar je v veliki meri določeno z velikodušno uporabo tega materiala. Povpraševanje pa se je močno povečalo, predvsem zaradi povečanja proizvodnje velikih komercialnih letal. Če je mogoče stroške znatno zmanjšati, lahko postane univerzalni material za vozila in majhne izdelke, zasnovane za izjemno vzdržljivost in lahkotnost.