Alt om kulfiber og hvordan det fremstilles

Også kaldet grafitfiber eller kulstofgrafit, kulfiber består af meget tynde tråde af elementet carbon. Disse fibre har stor trækstyrke og er ekstremt stærke for deres størrelse. Faktisk en form for kulfiber - nanorør af kulstof- betragtes som det stærkeste tilgængelige materiale. Kulfiber applikationer inkluderer konstruktion, ingeniørarbejde, rumfart, højtydende køretøjer, sportsudstyr og musikinstrumenter. På energiområdet bruges kulfiber til produktion af vindmøllevinger, lagring af naturgas og brændselsceller til transport. I flyindustrien har det applikationer i både militære og kommercielle fly såvel som ubemandede luftfartøjer. Til olieudforskning bruges det til fremstilling af dybvandsboreplatforme og -rør.

Hurtige fakta: Carbon Fiber Statistics

Kulfiber er lavet af organiske polymerer, der består af lange strenge af molekyler, der holdes sammen af ​​carbonatomer. De fleste carbonfibre (ca. 90%) er fremstillet af polyacrylonitril-processen (PAN). En lille mængde (ca. 10%) fremstilles ud fra rayon eller petroleumshøjde-processen.

Gasser, væsker og andre materialer, der bruges i fremstillingsprocessen, skaber specifikke effekter, kvaliteter og kvaliteter af kulfiber. Producenter af kulfiber bruger proprietære formler og kombinationer af råvarer til de materialer, de producerer, og generelt behandler de disse specifikke formuleringer som forretningshemmeligheder.

Den højeste kvalitet kulfiber med den mest effektive modul (en konstant eller koefficient, der bruges til at udtrykke en numerisk grad til som et stof har en bestemt egenskab, såsom elasticitet) egenskaber, der bruges til krævende anvendelser som f.eks rumfart.

Oprettelse af kulfiber involverer både kemiske og mekaniske processer. Råmaterialer, kendt som forstadier, trækkes ind i lange tråde og opvarmes derefter til høje temperaturer i et anaerobt (iltfrit) miljø. I stedet for at brænde, får den ekstreme varme fibrene til at vibrere så voldsomt, at næsten alle ikke-kulstofatomer udvises.

Når carboniseringsprocessen er afsluttet, består den resterende fiber af lange, tæt sammenkoblede carbonatomkæder med få eller ingen resterende ikke-carbonatomer. Disse fibre væves derefter ind i stof eller kombineres med andre materialer, der derefter vikles eller støbes til de ønskede former og størrelser.

De følgende fem segmenter er typiske i PAN-processen til fremstilling af kulfiber:

1. Spinning. PAN blandes med andre ingredienser og spindes i fibre, som derefter vaskes og strækkes.
2. Stabilisering. Fibrene gennemgår kemisk ændring for at stabilisere binding.
3. carboniseringstrinnet. Stabiliserede fibre opvarmes til meget høj temperatur og danner tæt bundne kulstofkrystaller.
4. Behandling af overfladen. Overfladen af ​​fibrene oxideres for at forbedre bindingsegenskaber.
5. Dimensionering. Fibre overtrækkes og vikles på spoler, der læsses på spindemaskiner, der snor fibrene i forskellige størrelser. I stedet for at være det vævet i stoffer, kan fibre også formes til sammensatte materialer ved hjælp af varme, tryk eller et vakuum til at binde fibre sammen med en plastpolymer.

Nanorør af kulstof fremstilles via en anden proces end almindelige carbonfibre. Anslået til at være 20 gange stærkere end deres forløbere, er nanorør smedes i ovne, der bruger lasere til at fordampe kulstofpartikler.

Fremstillingen af ​​kulfibre har en række udfordringer, herunder:

• Behovet for mere omkostningseffektiv gendannelse og reparation
• Uholdbare produktionsomkostninger til nogle applikationer: For eksempel, selvom ny teknologi er under udvikling pga Forbudende omkostninger er brugen af ​​kulfiber i bilindustrien i øjeblikket begrænset til høj ydelse og luksus køretøjer.
• Overfladebehandlingsprocessen skal reguleres omhyggeligt for at undgå at skabe grober, der resulterer i mangelfulde fibre.
• Tæt kontrol kræves for at sikre ensartet kvalitet
• Sundheds- og sikkerhedsmæssige problemer, inklusive irritation af hud og vejrtrækning
• Lysbue og shorts i elektrisk udstyr på grund af den stærke elektroledningsevne af carbonfibre

Når kulfiberteknologien fortsætter med at udvikle sig, vil mulighederne for kulfiber kun diversificere og stige. Ved Massachusetts Institute of Technology viser flere undersøgelser, der fokuserer på kulstoffiber, allerede en meget løfte om at skabe ny produktionsteknologi og design til at imødekomme den nye industri efterspørgsel.

MIT lektor i maskinteknik John Hart, en pioner i nanorøret, har samarbejdet med sine studerende om at transformere teknologien til fremstilling, herunder at se på nye materialer, der skal bruges sammen med kommercielle 3D-printere. ”Jeg bad dem om at tænke helt fra skinnerne; hvis de kunne forestille sig en 3D-printer, der aldrig er blevet lavet før eller et nyttigt materiale, der ikke kan udskrives ved hjælp af aktuelle printere, ”forklarede Hart.

Resultaterne var prototyper, der trykte smeltet glas, soft-serve-is og carbonfiberkompositter. Ifølge Hart oprettede studerende hold også maskiner, der kunne håndtere ”stort areal parallel ekstrudering af polymerer” og udføre ”in situ optisk scanning” af udskrivningsprocessen.

Derudover arbejdede Hart med MIT lektor i kemi Mircea Dinca på et for nylig afsluttet treårigt samarbejde med Automobili Lamborghini at undersøge mulighederne for nye carbonfiber og kompositmaterialer, der måske en dag ikke kun "gør det muligt at bruge hele karrosseriet som en batterisystem, "men fører til" lettere, stærkere kroppe, mere effektive katalytiske omformere, tyndere maling og forbedret kraftoverførsel varmeoverførsel [samlet]. "

Med så fantastiske gennembrud i horisonten er det ikke underligt, at markedet for kulfiber er forventet at vokse fra $ 4,7 milliarder i 2019 til 13,3 milliarder dollars i 2029 med en sammensat årlig vækstrate (CAGR) på 11,0% (eller lidt højere) i samme periode af tid.

• McConnell, Vicki. "Fremstilling af kulfiber." CompositeWorld. 19. december 2008
• Sherman, Don. "Ud over kulfiber: Det næste gennembrudsmateriale er 20 gange stærkere." Bil og fører. 18. marts 2015
• Randall, Danielle. “MIT-forskere samarbejder med Lamborghini for at udvikle fremtidens elbil.” MITMECHE / I nyhederne: Institut for Kemi. 16. november 2017
• "Carbon Fiber Market efter råmateriale (PAN, Pitch, Rayon), Fiber Type (Virgin, Recycled), Produkttype, Modulus, anvendelse (Komposit, ikke-komposit), slutbrugsindustri (A & D, bil, vindkraft) og region - global prognose til 2029. " MarketsandMarkets ™. September 2019