Allt om kolfiber och hur det görs

Även kallad grafitfiber eller kolgrafit, kolfiber består av mycket tunna trådar av elementet kol. Dessa fibrer har hög draghållfasthet och är extremt starka för sin storlek. Faktum är att en form av kolfiber - kol nanorör—Jag anses vara det starkaste materialet som finns tillgängligt. Kolfiber tillämpningar inkluderar konstruktion, teknik, flyg- och rymd, högpresterande fordon, sportutrustning och musikinstrument. Inom energifältet används kolfiber vid produktion av vindkraftblad, naturgaslagring och bränsleceller för transport. Inom flygbranschen har den applikationer i både militära och kommersiella flygplan, såväl som obemannade flygfordon. För oljeprospektering används det vid tillverkning av borrplattformar och rör på djupt vatten.

Snabbfakta: kolfiberstatistik

Kolfiber är tillverkad av organiska polymerer, som består av långa strängar av molekyler som hålls samman av kolatomer. De flesta kolfibrer (cirka 90%) är tillverkade av polyakrylonitril-processen (PAN). En liten mängd (cirka 10%) tillverkas från rayon eller petroleum pitch-processen.

Gaser, vätskor och andra material som används i tillverkningsprocessen skapar specifika effekter, kvaliteter och kvaliteter av kolfiber. Kolfibertillverkare använder egenutvecklade formler och kombinationer av råmaterial för materialen de producerar och i allmänhet behandlar de dessa specifika formuleringar som affärshemligheter.

Den högsta klass kolfiber med den mest effektiva modulen (en konstant eller koefficient som används för att uttrycka en numerisk grad till som ett ämne har en viss egenskap, till exempel elasticitet) egenskaper används i krävande applikationer som aerospace.

Att skapa kolfiber involverar både kemiska och mekaniska processer. Råmaterial, kända som föregångare, dras in i långa trådar och värms sedan upp till höga temperaturer i en anaerob (syrefri) miljö. I stället för att bränna orsakar den extrema värmen fiberatomerna att vibrera så våldsamt att nästan alla icke-kolatomer förvisas.

Efter att karboniseringsprocessen är klar består den återstående fibern av långa, tätt sammanlänkade kolatomkedjor med få eller inga kvarvarande kolatomer kvar. Dessa fibrer vävs därefter i tyg eller kombineras med andra material som sedan lindas eller formas till önskade former och storlekar.

Följande fem segment är typiska i PAN-processen för tillverkning av kolfiber:

1. Spinning. PAN blandas med andra ingredienser och snurras till fibrer, som sedan tvättas och sträckes.
2. Stabiliseras. Fibrerna genomgår kemisk förändring för att stabilisera bindningen.
3. karbonisering. Stabiliserade fibrer upphettas till mycket hög temperatur och bildar tätt bundna kolkristaller.
4. Behandla ytan. Ytan på fibrerna oxideras för att förbättra bindningsegenskaperna.
5. Dimensionering. Fibrer beläggs och lindas på spolar, som laddas på spinnmaskiner som vrider fibrerna i olika storlekar av garn. Snarare än att vara vävda i tygerkan fibrer också formas till sammansatt material, med hjälp av värme, tryck eller ett vakuum för att binda fibrer tillsammans med en plastpolymer.

Kolananorör tillverkas via en annan process än vanliga kolfiber. Uppskattade vara 20 gånger starkare än deras föregångare, smides nanorör i ugnar som använder lasrar för att förånga kolpartiklar.

Tillverkningen av kolfiber innebär ett antal utmaningar, inklusive:

• Behovet av mer kostnadseffektiv återhämtning och reparation
• Ohållbara tillverkningskostnader för vissa applikationer: Till exempel även om ny teknik är under utveckling, på grund av Förbudsmässiga kostnader är användningen av kolfiber i bilindustrin för närvarande begränsad till högprestanda och lyx fordon.
• Ytbehandlingsprocessen måste regleras noggrant för att undvika att skapa gropar som resulterar i defekta fibrer.
• Nära kontroll krävs för att säkerställa jämn kvalitet
• Hälso- och säkerhetsfrågor inklusive hud- och andningsirritation
• Båge och shorts i elektrisk utrustning på grund av den starka elektriska ledningsförmågan hos kolfiber

När kolfiberteknologin fortsätter att utvecklas kommer möjligheterna till kolfiber bara att diversifieras och öka. Vid Massachusetts Institute of Technology visar redan flera studier med fokus på kolfiber a mycket löfte för att skapa ny tillverkningsteknologi och design för att möta den tillväxtindustrin efterfrågan.

MIT docent i maskinteknik John Hart, en pionjär i nanorör, har arbetat med sina studenter för att förvandla tekniken för tillverkning, inklusive att titta på nya material som ska användas i samband med 3D-skrivare i kommersiell kvalitet. "Jag bad dem tänka helt utanför rälsen; om de kunde tänka sig en 3D-skrivare som aldrig har gjorts förut eller ett användbart material som inte kan skrivas ut med nuvarande skrivare, "förklarade Hart.

Resultaten var prototypmaskiner som tryckte smält glas, glass med mjuk servering - och kolfiberkompositer. Enligt Hart skapade studentteam också maskiner som kunde hantera ”storskalig parallell extrudering av polymerer” och utföra ”in situ optisk skanning” av tryckprocessen.

Dessutom arbetade Hart med MIT Associate Professor in Chemistry Mircea Dinca på ett nyligen avslutat treårigt samarbete med Automobili Lamborghini att undersöka möjligheterna med nya kolfiber och kompositmaterial som en dag inte bara "möjliggör att hela bilens karosseri kan användas som en batterisystem, "men leda till" lättare, starkare karosser, effektivare katalysatorer, tunnare färg och förbättrad kraftvärmeöverföring [totalt]. "

Med sådana fantastiska genombrott i horisonten är det inte konstigt att marknaden för kolfiber har planerats växa från $ 4,7 miljarder 2019 till 13,3 miljarder dollar år 2029, med en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på 11,0% (eller något högre) under samma period av tid.

• McConnell, Vicki. "Tillverkningen av kolfiber." CompositeWorld. 19 december 2008
• Sherman, Don. "Utöver kolfiber: nästa genombrottmaterial är 20 gånger starkare." Bil och förare. 18 mars 2015
• Randall, Danielle. “MIT-forskare samarbetar med Lamborghini för att utveckla framtidens elbil”. MITMECHE / In the News: Institutionen för kemi. 16 november 2017
• "Carbon Fiber Market by Raw Material (PAN, Pitch, Rayon), Fiber Type (Virgin, Recycled), Product Type, Modulus, Application (Komposit, icke-komposit), slutanvändningsindustri (A & D, fordonsindustri, vindkraft) och region - global prognos till 2029. " Marketsandmarkets ™. September 2019