Alles over koolstofvezel en hoe het is gemaakt

Ook wel grafietvezel of koolstofgrafiet genoemd, koolstofvezel bestaat uit zeer dunne strengen van het element koolstof. Deze vezels hebben een hoge treksterkte en zijn extreem sterk voor hun formaat. In feite is één vorm van koolstofvezel - de koolstof nanobuis- wordt beschouwd als het sterkste materiaal dat beschikbaar is. Koolstofvezel toepassingen omvatten bouw, techniek, ruimtevaart, high-performance voertuigen, sportuitrusting en muziekinstrumenten. Op het gebied van energie wordt koolstofvezel gebruikt bij de productie van windmolenwieken, opslag van aardgas en brandstofcellen voor transport. In de vliegtuigindustrie heeft het toepassingen in zowel militaire als commerciële vliegtuigen, evenals onbemande luchtvaartuigen. Voor olie-exploratie wordt het gebruikt bij de vervaardiging van boorplatforms en pijpen voor diep water.

Snelle feiten: koolstofvezelstatistieken

Koolstofvezel is gemaakt van organische polymeren, die bestaan ​​uit lange reeksen moleculen die bij elkaar worden gehouden door koolstofatomen. De meeste koolstofvezels (ongeveer 90%) zijn gemaakt van het polyacrylonitril (PAN) -proces. Een kleine hoeveelheid (ongeveer 10%) wordt vervaardigd uit rayon of het petroleumpekproces.

Gassen, vloeistoffen en andere materialen die bij het fabricageproces worden gebruikt, creëren specifieke effecten, kwaliteiten en kwaliteiten koolstofvezel. Fabrikanten van koolstofvezels gebruiken gepatenteerde formules en combinaties van grondstoffen voor de materialen die ze produceren en in het algemeen behandelen ze deze specifieke formuleringen als bedrijfsgeheimen.

De hoogste kwaliteit koolstofvezel met de meest efficiënte modulus (een constante of coëfficiënt die wordt gebruikt om een ​​numerieke graad uit te drukken) waarin een stof een bepaalde eigenschap bezit, zoals elasticiteit) eigenschappen worden gebruikt in veeleisende toepassingen zoals ruimtevaart.

Het maken van koolstofvezel omvat zowel chemische als mechanische processen. Grondstoffen, bekend als voorlopers, worden in lange strengen getrokken en vervolgens verwarmd tot hoge temperaturen in een anaërobe (zuurstofvrije) omgeving. In plaats van te branden, zorgt de extreme hitte ervoor dat de vezelatomen zo heftig trillen dat bijna alle niet-koolstofatomen worden verdreven.

Nadat het carbonisatieproces is voltooid, bestaat de resterende vezel uit lange, stevig in elkaar grijpende koolstofatoomketens met weinig of geen niet-koolstofatomen over. Deze vezels worden vervolgens tot stof geweven of gecombineerd met andere materialen die vervolgens met filament worden gewikkeld of in de gewenste vormen en maten worden gevormd.

De volgende vijf segmenten zijn typisch in het PAN-proces voor de fabricage van koolstofvezel:

1. Draaien. PAN wordt gemengd met andere ingrediënten en tot vezels gesponnen, die vervolgens worden gewassen en uitgerekt.
2. Stabiliseren. De vezels ondergaan een chemische verandering om de hechting te stabiliseren.
3. Verkolen. Gestabiliseerde vezels worden verwarmd tot zeer hoge temperaturen en vormen strak gebonden koolstofkristallen.
4. Het oppervlak behandelen. Het oppervlak van de vezels is geoxideerd om de hechtingseigenschappen te verbeteren.
5. Maatvoering. Vezels worden gecoat en op klossen gewikkeld, die op spinmachines worden geladen die de vezels in garens van verschillende grootte draaien. In plaats van te zijn geweven in stoffenkunnen ook vezels worden gevormd composiet materialen, met behulp van warmte, druk of een vacuüm om vezels samen te binden met een plastic polymeer.

Koolstof nanobuizen worden op een andere manier vervaardigd dan standaard koolstofvezels. Naar schatting 20 keer sterker dan hun voorlopers, worden nanobuizen gesmeed in ovens die lasers gebruiken om koolstofdeeltjes te verdampen.

De productie van koolstofvezels brengt een aantal uitdagingen met zich mee, waaronder:

• De behoefte aan kosteneffectiever herstel en reparatie
• Niet-duurzame fabricagekosten voor sommige toepassingen: bijvoorbeeld, ook al is er nieuwe technologie in ontwikkeling vanwege onbetaalbare kosten, het gebruik van koolstofvezel in de auto-industrie is momenteel beperkt tot high-performance en luxe voertuigen.
• Het oppervlaktebehandelingsproces moet zorgvuldig worden gereguleerd om te voorkomen dat er putjes ontstaan ​​die resulteren in defecte vezels.
• Strenge controle vereist om een ​​consistente kwaliteit te garanderen
• Gezondheids- en veiligheidsproblemen, waaronder huid- en ademhalingsirritatie
• Vlammen en kortsluitingen in elektrische apparatuur vanwege de sterke geleidbaarheid van koolstofvezels

Terwijl koolstofvezeltechnologie zich blijft ontwikkelen, zullen de mogelijkheden voor koolstofvezel alleen maar diversifiëren en toenemen. Aan het Massachusetts Institute of Technology tonen verschillende onderzoeken die zich richten op koolstofvezel al een veel belofte voor het creëren van nieuwe productietechnologie en ontwerp om tegemoet te komen aan de opkomende industrie vraag naar.

MIT Universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde John Hart, een pionier op het gebied van nanobuizen, heeft met zijn studenten gewerkt om te transformeren de technologie voor productie, inclusief het kijken naar nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt in combinatie met commerciële 3D-printers. "Ik vroeg hen om volledig ontspoord te denken; als ze een 3D-printer kunnen bedenken die nog nooit eerder is gemaakt of nuttig materiaal dat niet kan worden afgedrukt met de huidige printers, "legde Hart uit.

De resultaten waren prototypemachines die gesmolten glas, softijs en koolstofvezelcomposieten bedrukten. Volgens Hart creëerden studententeams ook machines die “grootschalige parallelle extrusie van polymeren” aankonden en “in situ optisch scannen” van het drukproces konden uitvoeren.

Bovendien werkte Hart samen met MIT Universitair hoofddocent scheikunde Mircea Dinca aan een onlangs gesloten driejarige samenwerking met Automobili Lamborghini om de mogelijkheden van nieuwe koolstofvezel en composietmaterialen te onderzoeken die op een dag niet alleen "de volledige carrosserie van de auto kunnen gebruiken als een batterijsysteem, "maar leiden tot" lichtere, sterkere lichamen, efficiëntere katalysatoren, dunnere verf en verbeterde warmteoverdracht van de aandrijflijn [algemeen]. "

Met zulke verbluffende doorbraken in het verschiet, is het geen wonder dat de koolstofvezelmarkt naar verwachting zal groeien van $ 4,7 miljard in 2019 tot $ 13,3 miljard tegen 2029, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 11,0% (of iets hoger) over dezelfde periode van tijd.

• McConnell, Vicki. "Het maken van koolstofvezel." CompositeWorld. 19 december 2008
• Sherman, Don. "Meer dan koolstofvezel: het volgende baanbrekende materiaal is 20 keer sterker." Auto en bestuurder. 18 maart 2015
• Randall, Danielle. “MIT-onderzoekers werken samen met Lamborghini om een ​​elektrische auto van de toekomst te ontwikkelen. " MITMECHE / In het nieuws: Afdeling Scheikunde. 16 november 2017
• "Koolstofvezelmarkt per grondstof (PAN, Pitch, Rayon), vezeltype (Virgin, gerecycled), producttype, modulus, toepassing (Composiet, Niet-composiet), Eindgebruikindustrie (A & D, Auto, Windenergie) en Regio — Wereldwijde voorspelling tot 2029. " Markten en markten ™. September 2019