Mnoge uzbudljive upotrebe i primjene kompozita od karbonskih vlakana

 

Što su kompoziti od karbonskih vlakana?

Kompozitni materijali sastoje se od ojačavajućih vlakana inkapsuliranih u polimernoj smoli. Postoji niz formulacija smola i vrsta vlakana koja se koriste u kompozitima, ali ugljična vlakna ističu se kao komponenta koja se nalazi u mnogim -proizvodima visoke učinkovitosti. U primjenama gdje smanjenje težine uz stvaranje visoke čvrstoće ima prednost, karbonska vlakna su izbor pojačanja u mnogim naprednim kompozitnim strukturama.

 

Ugljična vlakna nalaze se u kompozitnim strukturama gdje god su snaga i mala težina prednost; može se naći u vrhunskim-sportskim automobilima, trkaćim automobilima, čamcima visokih-performansi, zrakoplovima i svemirskim vozilima, medicinskoj opremi i opremi za sportsku opremu uključujući skije, snowboarde, teniske rekete, palice za golf i stotine drugih proizvoda.

 

Primjene za kompozite od karbonskih vlakana rastu tempom bržim od općeg gospodarstva kako se povećava potreba za laganim naprednim kompozitnim strukturama. Ekonomisti predviđaju značajno povećanje mogućnosti u industriji kako tehnologija napreduje, a aplikacije rastu. Zanima vas kako kompoziti od ugljičnih vlakana stvaraju proizvode visokih-učinkovitosti ili njihova uloga u uštedi energije kroz-smanjenje težine? Saznajte više o upotrebi karbonskih vlakana i kako se uključiti u budućnost kompozitne tehnologije.

 

Što su karbonska vlakna?

Ugljična vlakna, također poznata kao grafitna vlakna, jaki su, lagani materijal izrađen od stotina pojedinačnih karbonskih niti koji su osam puta tanji od ljudske kose. Filamenti se sastoje od atoma ugljika međusobno povezanih u duge lance. Po težini, kompozit od ugljičnih vlakana je pet puta jači od čelika i dva puta čvršći zbog njegove visoke vlačne čvrstoće.

Kako se izrađuju karbonska vlakna?

Ugljični filamenti počinju s akrilnom -plastikom poznatom kao poliakrilonitril (PAN). Proces u više- koraka započinje zagrijavanjem i predenjem vlakana poliakrilonitrila (PAN) u filamente. Ti se filamenti zatim zagrijavaju na još više temperature od oko 3000 F, podvrgavajući se oksidaciji i karbonizaciji koja uklanja ne-ugljikove elemente i poreda ugljikove atome u tijesno-zbijene kristale. Dobivena ugljična vlakna zatim se površinski tretiraju, sastavljaju se u snopove i umotavaju u kolute. Ta se vlakna zatim ili grupiraju u veće snopove poznate kao karbonska "kugla" ili se utkaju u tkanine.

 

Kako se koriste karbonska vlakna?

Konci od karbonskih vlakana ili tkane tkanine zasićeni su polimernom smolom, poput epoksida, i oblikovani u kalup. Stvrdnuta smola inkapsulira ugljične niti i stvara krutu matricu u željenom obliku proizvoda. Kombinacija matrice smole (epoksi) i vlakana za pojačanje (ugljika) stvara kompozitni materijal. Obilježja kompozita ojačanih ugljičnim vlaknima su mala težina, krutost i visoka vlačna čvrstoća.

 

Zora karbonskih vlakana

Povijest karbonskih vlakana seže u kasno 19. stoljeće kada je Thomas Edison koristio karbonska vlakna kao filamente za rane eksperimente sa žaruljama. Međutim, tek su se 1950-ih ugljična vlakna proizvodila kao materijal visoke -čvrstoće.

Korištenje karbonskih vlakana kao kompozitne komponente počelo je 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, stvorio je obradiva karbonska vlakna zagrijavanjem niti rajona na oko 3000 stupnjeva F dok se nisu karbonizirale. Ovaj je proces bio preteča moderne metode proizvodnje karbonskih vlakana. U 1960-ima je prva komercijalna proizvodnja karbonskih vlakana korištenjem procesa koji je razvio Union Carbide. Prepoznat je potencijal karbonskih vlakana kao kompozitnog ojačanja i Rolls Royce ih je počeo ugrađivati ​​u komponente mlaznih motora.

U 1970-ima, zrakoplovna industrija potaknula je napredak u tehnologiji kompozita, a primjena karbonskih vlakana postala je bolje dokumentirana i pročišćena. Počela je utrka za primjenu ove tehnologije na konstrukcije gdje je važno smanjiti težinu i povećati snagu. Budući da sirova ugljična vlakna koštaju više od drugih ojačanja vlaknima, postala su prilagođena kritičnim primjenama gdje je cijena sekundarna u odnosu na performanse.

U 1980-ima došlo je do značajnog porasta kompozita od karbonskih vlakana kada su ti materijali počeli ulaziti u industriju sportske opreme. Skije, daske za snijeg, teniski reketi, palice za golf, štapovi za pecanje i okviri bicikala počeli su sadržavati komponente od karbonskih vlakana zbog svoje lagane i-karakteristike visoke čvrstoće. U komercijalnom sektoru, industriji automobila, moto utrka i brodogradnje počeli su eksperimentirati s ugljičnim vlaknima kako bi se smanjila težina vozila i poboljšala izvedba. Istovremeno, svemirske i obrambene primjene unapređivale su inženjersko znanje-kako za primjenu kompozita od karbonskih vlakana u aplikacijama s najvišim performansama.

Do 1990-ih upotreba kompozita od karbonskih vlakana je rasla jer su proizvođači pronalazili načine za smanjenje troškova i poboljšanje kvalitete karbonskih vlakana. To je dovelo do šire primjene, uključujući sektor građevinarstva i energije vjetra.

Ugljična vlakna, kao sastavni dio kompozita, postala su mainstream do 2000-ih. Ovaj materijal više nije bio ograničen na-visoke aplikacije, već se koristio u širokom rasponu industrija, od potrošačke elektronike do infrastrukture. Tijekom sljedeća dva desetljeća, napredni kompoziti korišteni su u sve-profilnim aplikacijama kao što su Boeing 787 i zrakoplovi Airbus A350. Automobilska industrija usvojila je kompozitnu-tehnologiju inspiriranu moto utrkama, a vrhunski-čamci svih vrsta koriste karbonske kompozite kao primarnu strukturu. Pojava inženjerskih alata kao što su analiza konačnih elemenata i računalna dinamika fluida potiče-veće performanse i primjene ovih kompozitnih materijala.

 

Neke stvarno cool primjene karbonskih vlakana

Danas se redovito pojavljuju aplikacije za kompozite od karbonskih vlakana. Dok su u prošlosti ugljična vlakna bila egzotična i skupa, sada ih možete pronaći u velikom rasponu industrija i proizvoda kao što su:

 

Marine

Kompoziti od ugljičnih vlakana već su nekoliko desetljeća glavni oslonac trkaćih-jahti visokih performansi. Čamci za America's Cup primjeri su dovođenja tehnologije do krajnjih granica, sa strukturama od ugljičnih vlakana koje se mogu mjeriti s konstrukcijom u svemiru. Proizvodni brodovi sve više integriraju ugljična vlakna u obradu vakuumskom infuzijom s ciljem proizvodnje lakših i bržih plovila.

 

Automobilizam

Ugljična vlakna se sve više primjenjuju u proizvodnji automobila. Ti su materijali prvi put korišteni u bolidima Formule 1 i Indy, koji su prvi usvojili zrakoplovnu tehnologiju. Zatim se spustio na egzotične vrhunske-sportske automobile i trenutno se probija do serijskih automobila. "Smanjenje težine" glavni je cilj automobilskog dizajna za poboljšanje performansi i smanjenje utjecaja na okoliš. NASCAR je nedavno prešao na kompozitne karoserije za automobile serije Cup. Ove su se nove karoserije pokazale toliko čvrstima da su promijenile stil utrkivanja jer automobili mogu tolerirati veće zlostavljanje.

 

Prijevoz

Kamionska industrija desetljećima je koristila kompozitne komponente za poboljšanje aerodinamike i ekonomičnosti goriva. Predstoji revolucija u dizajnu teških kamiona koja će uključivati ​​znatno poboljšanu aerodinamiku i smanjenu težinu. Te se inovacije temelje na kompozitnim komponentama i dizajnu za smanjenje aerodinamičkog otpora. Procjenjuje se da novi dizajn izrađen od elegantnih laganih kompozitnih komponenti može rezultirati uštedom goriva do 50 milijardi dolara godišnje.

 

Zrakoplovi, zrakoplovstvo i obrana

Gledajući preko spektra komercijalnih zrakoplova, vojnih zrakoplova, lansirnih vozila i orbitalnih svemirskih letjelica, kompoziti od karbonskih vlakana igraju sve važniju ulogu u ispunjavanju ciljeva performansi. Inženjerstvo kompozita dobro je razvijeno u tim arenama i redovito se najavljuju tekuće inovacije. Ogromne količine karbonskih vlakana dodijeljene su tajnim vojnim i obrambenim naprednim tehnološkim projektima. U komercijalnoj areni deseci električnih letjelica s-okomitim uzlijetanjem (VTOL) tek dobivaju certifikate ili su u razvoju. Svi ovi novi zrakoplovi koriste ugljične kompozite kao primarni strukturni materijal.

 

Sportska oprema

Kompoziti od karbonskih vlakana prisutni su u svijetu sportske opreme zbog svoje čvrstoće i male težine. To uključuje: palice za hokej, teniske rekete, lukove za streličarstvo, palice za golf i pecaljke, skije, snowboarde, wakeboarde, kiteboarde i folije. Svi koriste ugljična vlakna zajedno s školjkama za veslanje i biciklima.

 

Lijek

Medicinsko područje još je jedna industrija u kojoj su ugljična vlakna napravila značajan utjecaj posljednjih godina. Karbonska vlakna prozirna su na rendgenskim slikama, što je dovelo do njihove upotrebe u širokom rasponu opreme za rendgenske zrake i slike. Ugljična vlakna također se koriste u protetskim udovima, koji su jaki, lagani i udobni za nošenje i korištenje.