Alt om karbonfiber og hvordan det lages

Også kalt grafittfiber eller karbongrafitt, karbonfiber består av veldig tynne tråder av elementet karbon. Disse fibrene har høy strekkfasthet og er ekstremt sterke for sin størrelse. En form for karbonfiber - den karbon nanorør- er ansett som det sterkeste materialet som er tilgjengelig. Karbonfiber applikasjoner inkluderer konstruksjon, prosjektering, romfart, høyytelsesbiler, sportsutstyr og musikkinstrumenter. På energiområdet brukes karbonfiber i produksjon av vindmølleblader, lagring av naturgass og brenselceller for transport. I flyindustrien har den applikasjoner i både militære og kommersielle fly, så vel som ubemannede luftfartøy. For oljeleting brukes den til fremstilling av dypvannsboreplattformer og rør.

Rask fakta: karbonfiberstatistikk

Karbonfiber er laget av organiske polymerer, som består av lange strenger av molekyler holdt sammen av karbonatomer. De fleste karbonfibre (ca. 90%) er laget av polyakrylonitril (PAN) -prosessen. En liten mengde (ca. 10%) er produsert fra rayon eller petroleum pitch prosessen.

Gasser, væsker og andre materialer som brukes i produksjonsprosessen skaper spesifikke effekter, kvaliteter og kvaliteter av karbonfiber. Produsenter av karbonfiber bruker egenutviklede formler og kombinasjoner av råvarer for materialene de produserer og generelt behandler de disse spesifikke formuleringene som forretningshemmeligheter.

Karbonfiber av høyeste kvalitet med den mest effektive modulen (en konstant eller koeffisient som brukes til å uttrykke en numerisk grad til som et stoff har en bestemt egenskap, for eksempel elastisitet), egenskaper brukes i krevende bruksområder som luftfart.

Å lage karbonfiber innebærer både kjemiske og mekaniske prosesser. Råvarer, kjent som forløpere, blir trukket inn i lange tråder og deretter oppvarmet til høye temperaturer i et anaerobt (oksygenfritt) miljø. I stedet for å brenne, fører den ekstreme varmen til at fiberatomene vibrerer så voldsomt at nesten alle ikke-karbonatomer blir utvist.

Etter at karboniseringsprosessen er fullført, består den gjenværende fiberen av lange, tett sammenlåste karbonatomkjeder med få eller ingen rester av ikke-karbonatomer. Disse fibrene blir deretter vevd inn i stoff eller kombinert med andre materialer som deretter blir filament viklet eller støpt til ønsket form og størrelse.

Følgende fem segmenter er typiske i PAN-prosessen for fremstilling av karbonfiber:

1. Spinning. PAN blandes med andre ingredienser og spinnes til fibre, som deretter vaskes og strekkes.
2. Stabilisere seg. Fibrene gjennomgår kjemisk endring for å stabilisere binding.
3. carbonizing. Stabiliserte fibre varmes opp til veldig høy temperatur og danner tett bundne karbonkrystaller.
4. Behandle overflaten. Overflaten på fibrene oksideres for å forbedre bindingsegenskapene.
5. Dimensjonering. Fibre blir belagt og viklet på spoler, som blir lagt på spinnemaskiner som tvinner fibrene i garn av forskjellig størrelse. Heller enn å være det vevd inn i tekstiler, kan fibre også formes til sammensatte materialer, ved bruk av varme, trykk eller et vakuum for å binde fibre sammen med en plastpolymer.

Karbon nanorør produseres via en annen prosess enn standard karbonfibre. Antatt å være 20 ganger sterkere enn forgjengerne, blir nanorør smidd i ovner som bruker lasere for å fordampe karbonpartikler.

Produksjonen av karbonfibre bærer en rekke utfordringer, inkludert:

• Behovet for mer kostnadseffektiv utvinning og reparasjon
• Uholdbare produksjonskostnader for noen applikasjoner: For eksempel, selv om ny teknologi er under utvikling, pga uoverkommelige kostnader, er bruken av karbonfiber i bilindustrien foreløpig begrenset til høyytelse og luksus kjøretøy.
• Overflatebehandlingsprosessen må reguleres nøye for å unngå å lage groper som resulterer i mangelfulle fibre.
• Nær kontroll kreves for å sikre jevn kvalitet
• Helse- og sikkerhetsproblemer inkludert hud- og pusteirritasjon
• Bueskyting og shorts i elektrisk utstyr på grunn av den sterke elektrokonduktiviteten til karbonfibre

Når karbonfiberteknologien fortsetter å utvikle seg, vil mulighetene for karbonfiber bare diversifisere og øke. Ved Massachusetts Institute of Technology viser det allerede flere studier med fokus på karbonfiber mye løfte for å skape ny produksjonsteknologi og design for å møte fremvoksende bransjer kreve.

MIT førsteamanuensis i maskinteknikk John Hart, en pioner i nanorør, har jobbet med studentene sine for å transformere teknologien for produksjon, inkludert å se på nye materialer som skal brukes i forbindelse med 3D-skrivere i kommersiell klasse. "Jeg ba dem tenke helt ut av skinnene; hvis de kunne tenke seg en 3D-skriver som aldri har blitt laget før eller et nyttig materiale som ikke kan skrives ut ved å bruke nåværende skrivere, "forklarte Hart.

Resultatene var prototypemaskiner som trykket smeltet glass, soft-serve iskrem og karbonfiberkompositter. I følge Hart opprettet studentteam også maskiner som kunne håndtere "stort areal parallelt ekstrudering av polymerer" og utføre "in situ optisk skanning" av utskriftsprosessen.

I tillegg jobbet Hart med MIT førsteamanuensis i kjemi Mircea Dinca på et nylig avsluttet tre-årig samarbeid med Automobili Lamborghini å undersøke mulighetene for nye karbonfiber og komposittmaterialer som kanskje en dag ikke bare "gjør det mulig å bruke hele karosseriet på bilen batterisystem, "men fører til" lettere, sterkere karosserier, mer effektive katalysatorer, tynnere maling og forbedret kraftoverføring varmeoverføring [samlet]. "

Med så fantastiske gjennombrudd i horisonten, er det ikke rart at karbonfibermarkedet har blitt anslått å vokse fra 4,7 dollar milliarder i 2019 til 13,3 milliarder dollar i 2029, med en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 11,0% (eller litt høyere) i samme periode av tid.

• McConnell, Vicki. "Fremstilling av karbonfiber." CompositeWorld. 19. desember 2008
• Sherman, Don. "Utover karbonfiber: Det neste gjennombruddsmaterialet er 20 ganger sterkere." Bil og sjåfør. 18. mars 2015
• Randall, Danielle. “MIT-forskere samarbeider med Lamborghini for å utvikle fremtidens elbil.” MITMECHE / I nyhetene: Institutt for kjemi. 16. november 2017
• "Karbonfibermarked etter råstoff (PAN, Pitch, Rayon), Fibertype (Jomfru, resirkulert), Produkttype, Modulus, Bruksområde (Kompositt, ikke-kompositt), sluttbrukindustri (A & D, bilindustri, vindkraft) og region - global prognose til 2029. " Marketsandmarkets ™. September 2019