Karbonfibre



All kunnskapen som mennesket har samlet i århundrer om Karbonfibre er nå tilgjengelig på internett, og vi har samlet og bestilt den for deg på en mest mulig tilgjengelig måte. Vi vil at du skal kunne få tilgang til alt relatert til Karbonfibre som du vil vite raskt og effektivt; at opplevelsen din er hyggelig og at du føler at du virkelig har funnet informasjonen om Karbonfibre som du lette etter.

For å nå våre mål har vi gjort en innsats for ikke bare å få den mest oppdaterte, forståelige og sannferdige informasjonen om Karbonfibre, men vi har også passet på at utformingen, lesbarheten, lastehastigheten og brukervennligheten til siden være så hyggelig som mulig, slik at du på denne måten kan fokusere på det essensielle, kjenne til all data og informasjon som er tilgjengelig om Karbonfibre, uten å måtte bekymre deg for noe annet, vi har allerede tatt hånd om det for deg. Vi håper vi har oppnådd vårt formål og at du har funnet informasjonen du ønsket om Karbonfibre. Så vi ønsker deg velkommen og oppfordrer deg til å fortsette å nyte opplevelsen av å bruke scientiano.com.

Karbonfibre eller karbonfibre (alternativt CF, grafittfibre eller grafittfibre) er fibrer ca 5 til 10 mikrometer (0.00020-0.00039 i) i diameter og består for det meste av karbonatomer. Kullfibre har flere fordeler, inkludert høy stivhet, høy strekkfasthet, lavt forhold til vekt, høy kjemisk motstand, høy temperaturtoleranse og lav termisk ekspansjon. Disse egenskapene har gjort karbonfiber veldig populær innen romfart, sivilingeniør, militær og motorsport, sammen med andre konkurransesporter. Imidlertid er de relativt dyre sammenlignet med lignende fibre, for eksempel glassfiber , basaltfibre eller plastfibre.

For å produsere en karbonfiber er karbonatomene bundet sammen i krystaller som er mer eller mindre justert parallelt med fiberens lange akse ettersom krystalljusteringen gir fiberen et høyt styrke-til-volum-forhold (med andre ord, det er sterkt for størrelsen). Flere tusen karbonfibre er samlet sammen for å danne et slep , som kan brukes alene eller veves inn i et stoff.

Kullfibre kombineres vanligvis med andre materialer for å danne en kompositt . Når den gjennomsyres med en plastharpiks og bakes , danner den karbonfiberforsterket polymer (ofte referert til som karbonfiber) som har et veldig høyt styrke-til-vekt-forhold , og er ekstremt stiv, men litt sprø. Kullfibre er også sammensatt med andre materialer, for eksempel grafitt , for å danne forsterkede karbon-karbon- kompositter, som har en meget høy varmetoleranse.

Historie

Kullfibre produsert ved pyrolyse av en silkekokong. Elektronmikrograf - skala bar nederst til venstre viser 100 m .

I 1860 produserte Joseph Swan karbonfibre for første gang, for bruk i lyspærer. I 1879 bakte Thomas Edison bomullstråder eller bambusskiver ved høye temperaturer og karboniserte dem til en fiber av helt karbonfiber som ble brukt i en av de første glødelampene som skulle varmes opp med elektrisitet. I 1880 utviklet Lewis Latimer en pålitelig karbontråd for glødelampen, oppvarmet av elektrisitet.

I 1958 opprettet Roger Bacon høytytende karbonfibre ved Union Carbide Parma Technical Center som ligger utenfor Cleveland , Ohio . Disse fibrene ble produsert ved å varme opp stråler av rayon til de ble karboniserte . Denne prosessen viste seg å være ineffektiv, ettersom de resulterende fibrene bare inneholdt omtrent 20% karbon og hadde lave styrke- og stivhetsegenskaper. På begynnelsen av 1960 -tallet ble en prosess utviklet av Dr. Akio Shindo ved Agency of Industrial Science and Technology of Japan, ved bruk av polyakrylonitril (PAN) som råstoff. Dette hadde produsert en karbonfiber som inneholdt omtrent 55% karbon. I 1960 utviklet Richard Millington fra HI Thompson Fiberglas Co. en prosess (US patent nr. 3.294.489) for å produsere et høyt karboninnhold (99%) fiber ved å bruke rayon som en forløper. Disse karbonfibrene hadde tilstrekkelig styrke (elastisitetsmodul og strekkfasthet) til å kunne brukes som forsterkning for kompositter med høy styrke til vektegenskaper og for høy temperaturbestandige applikasjoner.

Den høye potensielle styrken til karbonfiber ble realisert i 1963 i en prosess utviklet av W. Watt, LN Phillips og W. Johnson ved Royal Aircraft Establishment i Farnborough, Hampshire . Prosessen ble patentert av det britiske forsvarsdepartementet , deretter lisensiert av British National Research Development Corporation til tre selskaper: Rolls-Royce , som allerede laget karbonfiber; Morganitt; og Courtaulds . I løpet av få år, etter vellykket bruk i 1968 av en Hyfil karbonfiberviftemontasje i Rolls-Royce Conway jetmotorer på Vickers VC10 , utnyttet Rolls-Royce fordelene med det nye materialet for å bryte seg inn på det amerikanske markedet med sin RB -211 flymotor med karbonfiberkompressorblad. Dessverre viste bladene seg sårbare for skader på grunn av fuglepåvirkning . Dette problemet og andre forårsaket Rolls-Royce slike tilbakeslag at selskapet ble nasjonalisert i 1971. Karbonfiberproduksjonsanlegget ble solgt for å danne Bristol Composite Materials Engineering Ltd (ofte referert til som Bristol Composites).

På slutten av 1960-tallet tok japanerne ledelsen i produksjonen av PAN-baserte karbonfibre. En felles teknologiavtale fra 1970 tillot Union Carbide å produsere Japans Toray Industries -produkt. Morganite bestemte at karbonfiberproduksjonen var perifer til kjernevirksomheten, og etterlot Courtaulds som den eneste store britiske produsenten. Courtelles vannbaserte uorganiske prosess gjorde produktet utsatt for urenheter som ikke påvirket den organiske prosessen som ble brukt av andre karbonfiberprodusenter, noe som førte til at Courtaulds sluttet med karbonfiberproduksjon i 1991.

I løpet av 1960 -årene førte eksperimentelt arbeid for å finne alternative råvarer til innføring av karbonfibre laget av en petroleumspot fra oljeprosessering. Disse fibrene inneholdt omtrent 85% karbon og hadde utmerket bøyestyrke. I løpet av denne perioden støttet den japanske regjeringen kraftig karbonfiberutvikling hjemme, og flere japanske selskaper som Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon og Mitsubishi startet sin egen utvikling og produksjon. Siden slutten av 1970 -tallet kom flere typer karbonfibergarn inn på det globale markedet, og tilbyr høyere strekkfasthet og høyere elastisk modul. For eksempel T400 fra Toray med en strekkfasthet på 4000 MPa og M40, en modul på 400 GPa. Mellomliggende karbonfibre, som IM 600 fra Toho Rayon med opptil 6000 MPa ble utviklet. Kullfibre fra Toray, Celanese og Akzo fant veien til luftfartsapplikasjon fra sekundære til primære deler først i militære og senere i sivile fly som i McDonnell Douglas, Boeing, Airbus og United Aircraft Corporation fly. I 1988 oppfant Dr. Jacob Lahijani balansert ultrahøy Youngs modul (større enn 100 Mpsi) og høy strekkfasthet pitch carbon fiber (større enn 500 kpsi) som brukes mye i bil- og romfartsapplikasjoner. I mars 2006 ble patentet tildelt University of Tennessee Research Foundation.

Struktur og egenskaper

Karbonfiber leveres ofte i form av et kontinuerlig slep på et hjul. Slepet er en bunt med tusenvis av kontinuerlige individuelle karbonfilamenter holdt sammen og beskyttet av et organisk belegg, eller størrelse, for eksempel polyetylenoksyd (PEO) eller polyvinylalkohol (PVA). Slepet kan enkelt avvikles fra spolen for bruk. Hver karbonfilament i slepet er en kontinuerlig sylinder med en diameter på 5-10 mikrometer og består nesten utelukkende av karbon . Den tidligste generasjonen (f.eks. T300, HTA og AS4) hadde diametre på 1622 mikrometer . Senere fibre (f.eks. IM6 eller IM600) har diametre som er omtrent 5 mikrometer.

Atomstrukturen til karbonfiber ligner den på grafitt , som består av ark med karbonatomer arrangert i et vanlig sekskantet mønster ( grafenark ), og forskjellen er i måten disse arkene henger sammen. Grafitt er et krystallinsk materiale der arkene stables parallelt med hverandre på vanlig måte. De intermolekylære kreftene mellom platene er relativt svake Van der Waals -krefter , noe som gir grafitt sine myke og sprø egenskaper.

Avhengig av forløperen for å lage fiberen, kan karbonfiber være turbostratisk eller grafittisk, eller ha en hybridstruktur med både grafittiske og turbostratiske deler tilstede. I turbostratiske karbonfiber blir arkene med karbonatomer tilfeldig brettet eller krøllet sammen. Karbonfibre avledet fra polyakrylnitril (PAN) er turbostratiske, mens karbonfibre avledet fra mesofase- bek er grafittisk etter varmebehandling ved temperaturer over 2200 ° C. Turbostratiske karbonfibre har en tendens til å ha høy strekkfasthet , mens varmebehandlede mesofase-pitch-avledede karbonfibre har høy Youngs modul (dvs. høy stivhet eller motstand mot forlengelse under belastning) og høy varmeledningsevne .

applikasjoner

I 2012 var estimert global etterspørsel etter karbonfibermarked 1,7 milliarder dollar med en estimert årlig vekst på 1012% fra 2012 til 2018. Den sterkeste etterspørselen etter karbonfiber kommer fra fly og romfart, vindenergi, samt bilindustrien med optimalisert harpiks systemer.

Karbonfiber kan ha høyere kostnader enn andre materialer, noe som har vært en av de begrensende faktorene for adopsjon. I en sammenligning mellom stål og karbon fiber materialer for bilindustrien materialer , kan karbonfiber være 10-12x dyrere. Denne kostnadspremien har imidlertid kommet ned i løpet av det siste tiåret fra estimater på 35x dyrere enn stål på begynnelsen av 2000 -tallet.

Komposittmaterialer

Karbonfiber brukes mest for å forsterke komposittmaterialer , spesielt klassen av materialer kjent som karbonfiber eller grafittforsterkede polymerer . Ikke-polymere materialer kan også brukes som matrise for karbonfibre. På grunn av dannelsen av metall karbider og korrosjonshensyn, har karbon sett begrenset suksess i metallmatrise-kompositt anvendelser. Forsterket karbon-karbon (RCC) består av karbonfiberforsterket grafitt, og brukes strukturelt i applikasjoner med høy temperatur. Fiberen finner også bruk ved filtrering av høytemperaturgasser, som en elektrode med høyt overflateareal og upåklagelig korrosjonsbestandighet , og som en antistatisk komponent. Støping av et tynt lag med karbonfibre forbedrer brannmotstanden til polymerer eller termohærdede kompositter vesentlig fordi et tett, kompakt lag med karbonfibre effektivt reflekterer varme.

Den økende bruken av karbonfiberkompositter forskyver aluminium fra luftfartsapplikasjoner til fordel for andre metaller på grunn av galvaniske korrosjonsproblemer.

Kullfiber kan brukes som tilsetning til asfalt for å lage elektrisk ledende asfaltbetong. Bruk av dette komposittmaterialet i transportinfrastrukturen, spesielt for fortau på flyplassen, reduserer noen vintervedlikeholdsproblemer som førte til flyavlysning eller forsinkelse på grunn av tilstedeværelse av is og snø. Strøm som passerer gjennom komposittmaterialet 3D -nettverk av karbonfibre avleder termisk energi som øker overflatetemperaturen på asfalten, som er i stand til å smelte is og snø over den.

Tekstiler

Forløpere for karbonfibre er polyakrylonitril (PAN), rayon og pitch . Karbonfiberfilamentgarn brukes i flere behandlingsteknikker: de direkte bruksområdene er for forberedelse, filamentvikling, pultrusjon, veving, fletting, etc. Karbonfibergarn er vurdert av den lineære tettheten (vekt per lengdenhet, dvs. 1 g/1000 m = 1  tex ) eller etter antall filamenter per garntall, i tusenvis. For eksempel er 200 tex for 3000 filamenter av karbonfiber tre ganger så sterk som 1000 karbonfilamentgarn, men er også tre ganger så tung. Denne tråden kan deretter brukes til å veve et stoff eller en klut av karbonfiberfilament . Utseendet til dette stoffet avhenger generelt av den lineære tettheten til garnet og den valgte vevingen. Noen vanlige typer vev er twill , sateng og vanlig . Karbonfilamentgarn kan også strikkes eller flettes .

Mikroelektroder

Karbonfibrene anvendes for fremstilling av karbon-fiber mikroelektroder . I denne applikasjonen er vanligvis en enkelt karbonfiber med en diameter på 5-7 um forseglet i et glass kapillær. På spissen er kapillæren enten forseglet med epoxy og polert for å lage karbonfiberskive mikroelektrode, eller fiberen kuttes til en lengde på 75150 um for å lage karbonfiber sylinderelektrode. Karbon-fiber- mikroelektroder anvendes enten i amperometry eller hurtig-scan syklisk voltametri for påvisning av biokjemiske signalisering.

Fleksibel oppvarming

Til tross for at de er kjent for sin elektriske ledningsevne, kan karbonfibre bære bare svært lave strømmer alene. Når de er vevd inn i større stoffer, kan de brukes til pålitelig vis å gi (infrarød) oppvarming i applikasjoner som krever fleksible elektriske varmeelementer og kan enkelt opprettholde temperaturer over 100 ° C. Mange eksempler på denne typen applikasjoner kan sees i DIY -oppvarmede klær og tepper. På grunn av sin kjemiske treghet, kan den brukes relativt trygt blant de fleste stoffer og materialer; Imidlertid vil shorts forårsaket av at materialet bretter seg tilbake på seg selv føre til økt varmeproduksjon og kan føre til brann.

Syntese

Syntese av karbonfiber fra polyakrylonitril (PAN):
  1. Polymerisering av akrylonitril til PAN,
  2. Syklisering under lavtemperaturprosessen,
  3. Høytemperatur oksidativ behandling av karbonisering (hydrogen fjernes). Etter at denne grafitiseringsprosessen starter der nitrogen fjernes og kjeder er forbundet med grafittplan.

Hvert karbonfilament er fremstilt av en polymer , slik som polyakrylonitril (PAN), rayon , eller petroleum bek . Alle disse polymerene er kjent som en forløper . For syntetiske polymerer som PAN eller rayon, spinnes forløperen først inn i filamentgarn, ved bruk av kjemiske og mekaniske prosesser for først å justere polymermolekylene på en måte for å forbedre de endelige fysiske egenskapene til den ferdige karbonfiberen. Forløperkomposisjoner og mekaniske prosesser som brukes under spinning av filamentgarn kan variere fra produsent til produsent. Etter tegning eller spinning blir polymerfilamentgarnene deretter oppvarmet for å drive av ikke-karbonatomer ( karbonisering ), og produsere den endelige karbonfiberen. Karbonfibrene filamentgarn kan behandles ytterligere for å forbedre håndteringskvaliteten og deretter vikles på spoler .

Karbonfiberpreparat

En vanlig produksjonsmetode innebærer oppvarming av de spunnede PAN -filamentene til omtrent 300 ° C i luft, noe som bryter mange av hydrogenbindinger og oksiderer materialet. Det oksiderte PAN blir deretter plassert i en ovn med en inert atmosfære av en gass som argon , og oppvarmet til omtrent 2000 ° C, noe som induserer grafitisering av materialet, og endrer molekylær bindingsstruktur. Når de varmes opp under de riktige forholdene, binder disse kjedene side til side (stigerpolymerer) og danner smale grafenark som til slutt smelter sammen til et enkelt, søylefilament. Resultatet er vanligvis 9395% karbon. Fiber av lavere kvalitet kan produseres ved hjelp av pitch eller rayon som forløperen i stedet for PAN. Kullet kan bli ytterligere forbedret, som høy modul, eller høy styrke karbon, ved varmebehandlingsprosesser. Karbon oppvarmet i området 15002000 ° C (karbonisering) har den høyeste strekkfastheten (5.650 MPa , eller 820.000 psi ), mens karbonfiber oppvarmet fra 2500 til 3000 ° C (grafitisering) viser en høyere elastisitetsmodul (531 GPa , eller 77000000 psi).     

Se også

Referanser

Eksterne linker

Opiniones de nuestros usuarios

Andre Kleven

Flott oppdagelse denne artikkelen om Karbonfibre og hele siden. Den går rett til favoritter.

Caroline Brekke

Denne artikkelen om Karbonfibre har fanget oppmerksomheten min, jeg synes det er nysgjerrig på hvor godt målte ordene er, det er liksom...elegant.

Frank Davidsen

Språket ser gammelt ut, men informasjonen er pålitelig og generelt gir alt som skrives om Karbonfibre mye selvtillit.