Mnoge uzbudljive upotrebe i primjene kompozita od karbonskih vlakana

 

Šta su kompoziti od karbonskih vlakana?

Kompozitni materijali sastoje se od vlakna za pojačanje inkapsuliranog u polimernu smolu. Postoji veliki broj formulacija smole i tipova vlakana koji se koriste u kompozitima, ali karbonska vlakna se ističu kao komponenta koja se nalazi u mnogim proizvodima visokih{1}}performansi. U aplikacijama gdje smanjenje težine uz stvaranje visoke čvrstoće ima prednost, karbonska vlakna su izbor za ojačanje u mnogim naprednim kompozitnim strukturama.

 

Ugljična vlakna se nalaze u kompozitnim strukturama gdje god su snaga i mala težina prednost; može se naći u vrhunskim-sportskim automobilima, trkaćim automobilima, čamcima visokih{1}}učinaka, avionima i svemirskim vozilima, medicinskoj opremi i opremi za sportsku opremu uključujući skije, snowboardove, teniske rekete, palice za golf i stotine drugih proizvoda.

 

Prijave za kompozite od karbonskih vlakana rastu brže od opće ekonomije jer se povećava potreba za laganim naprednim kompozitnim strukturama. Ekonomisti predviđaju značajno povećanje industrijskih mogućnosti kako tehnologija napreduje i aplikacije rastu. Zanima vas kako kompoziti od karbonskih vlakana stvaraju proizvode visokih-performansi ili njihova uloga u uštedi energije kroz smanjenje težine-? Saznajte više o upotrebi karbonskih vlakana i kako se uključiti u budućnost kompozitne tehnologije.

 

Šta su karbonska vlakna?

Ugljična vlakna, poznata i kao grafitna vlakna, su snažan, lagan materijal napravljen od stotina pojedinačnih karbonskih vlakana koji su osam puta tanji od ljudske kose. Filamenti se sastoje od atoma ugljika povezanih u duge lance. Po težini, kompozit od karbonskih vlakana je pet puta jači od čelika i dvostruko čvršći zbog svoje visoke vlačne čvrstoće.

Kako se proizvode karbonska vlakna?

Ugljični filamenti počinju plastikom na bazi akrila- poznatom kao poliakrilonitril (PAN). Proces u više- koraka počinje zagrijavanjem i predenjem poliakrilonitrilnih (PAN) vlakana u filamente. Ovi filamenti se zatim zagrijavaju do još viših temperatura od oko 3000 F, prolaze kroz oksidaciju i karbonizaciju koja uklanja ne-elemente ugljika i poravnava atome ugljika u čvrsto-upakirane kristale. Rezultirajuća karbonska vlakna zatim dobivaju površinsku obradu, sklapaju se u snopove i umotaju u kalemove. Ova vlakna se zatim grupišu u veće snopove poznate kao karbonska "kuča" ili se utkaju u tkanine.

 

Kako se koriste karbonska vlakna?

Pramenovi od karbonskih vlakana ili tkanih tkanina su zasićeni polimernom smolom, kao što je epoksid, i oblikovani u kalup. Stvrdnuta smola inkapsulira karbonske filamente i stvara čvrstu matricu u željenom obliku proizvoda. Kombinacija smolne matrice (epoksi) i vlakana za ojačanje (ugljik) stvara kompozitni materijal. Obilježja kompozita ojačanih karbonskim vlaknima su mala težina, krutost i visoka vlačna čvrstoća.

 

Zora karbonskih vlakana

Povijest karbonskih vlakana datira iz kasnog 19. stoljeća kada je Thomas Edison koristio karbonska vlakna kao filamente za rane eksperimente sa sijalicama. Međutim, tek 1950-ih karbonska vlakna su proizvedena kao materijal visoke{3}}vrste.

Upotreba karbonskih vlakana kao kompozitne komponente počela je 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, stvorio je obradiva karbonska vlakna zagrijavanjem niti rajona na oko 3000 stepeni F dok se ne karboniziraju. Ovaj proces je bio preteča moderne metode proizvodnje karbonskih vlakana. Šezdesetih godina prošlog vijeka je počela prva komercijalna proizvodnja karbonskih vlakana po procesu koji je razvio Union Carbide. Potencijal karbonskih vlakana kao kompozitnog ojačanja je prepoznat i Rolls Royce ih je počeo ugrađivati ​​u komponente mlaznog motora.

U 1970-im, avio-svemirska industrija je pokrenula napredak u tehnologiji kompozita, a primjena karbonskih vlakana postala je bolje dokumentirana i rafinirana. Utrka je bila u primjeni ove tehnologije na konstrukcije gdje je smanjenje težine i povećanje snage bilo važno. Budući da sirova karbonska vlakna koštaju više od ostalih ojačanja vlaknima, postala su prilagođena kritičnim aplikacijama gdje su troškovi bili sekundarni u odnosu na performanse.

U 1980-im, došlo je do značajnog povećanja kompozita od karbonskih vlakana kada su ovi materijali počeli ulaziti u industriju sportske opreme. Skije, snoubord, teniski reketi, palice za golf, štapovi za pecanje i ramovi bicikala počeli su da sadrže komponente od karbonskih vlakana zbog svojih lakih i-karakteristiki visoke čvrstoće. U komercijalnom sektoru, automobilska, automobilska i pomorska industrija počele su eksperimentirati s karbonskim vlaknima kako bi smanjile težinu vozila i poboljšale performanse. Istovremeno, primjene u zračnom i odbrambenom sektoru su unapređivale inženjersko znanje-za primjenu kompozita od karbonskih vlakana u primjene najviših performansi.

Do 1990-ih upotreba kompozita od karbonskih vlakana je rasla jer su proizvođači pronašli načine da smanje troškove i poboljšaju kvalitetu karbonskih vlakana. To je dovelo do šire primjene, uključujući sektore građevinarstva i energije vjetra.

Ugljična vlakna, kao osnovna komponenta kompozita, postala su mainstream do 2000-ih. Ovaj materijal više nije bio ograničen na vrhunske-aplikacije, već se koristio u širokom spektru industrija, od potrošačke elektronike do infrastrukture. Tokom naredne dvije decenije, napredni kompoziti su korišćeni u sve više{4}}profilnim aplikacijama kao što su Boeing 787 i Airbus A350 avioni. Automobilska industrija je usvojila tehnologiju kompozita inspirisanu motornim trkama-i vrhunski-čamci svih tipova koriste karbonske kompozite kao primarne strukture. Pojava inženjerskih alata kao što su analiza konačnih elemenata i računska dinamika fluida pokreće sve-veće performanse i primjene ovih kompozitnih materijala.

 

Neke stvarno cool primjene karbonskih vlakana

Danas se redovno pojavljuju aplikacije za kompozite od karbonskih vlakana. Dok su u prošlosti karbonska vlakna bila egzotična i skupa, sada možete pronaći karbonska vlakna u velikom rasponu industrija i proizvoda kao što su:

 

Marine

Kompoziti od karbonskih vlakana su nekoliko decenija oslonac trkaćih plovila visokih{0}}učinaka. Čamci America's Cup primjeri su dovođenja tehnologije do krajnjih granica, sa strukturama od karbonskih vlakana koje su konkurentne konstrukcijama u svemiru. Proizvodni čamci sve više integriraju karbonska vlakna u proces vakuumske infuzije s ciljem proizvodnje lakšeg i bržeg plovila.

 

Automotive

Ugljična vlakna se sve više koriste u proizvodnji automobila. Ovi materijali su prvi put našli primenu u automobilima Formule 1 i Indy, koji su prvi usvojili vazduhoplovnu tehnologiju. Zatim se proširio na egzotične sportske-sportske automobile i trenutno ulazi u proizvodnju automobila. "Lightweighting" je glavni cilj dizajna automobila za poboljšanje performansi i smanjenje uticaja na životnu sredinu. NASCAR je nedavno prešao na kompozitna karoserija za automobile serije Cup. Ove nove karoserije su se pokazale toliko čvrstima da su promijenile stil utrke jer automobili mogu tolerisati veće zlostavljanje.

 

Prijevoz

Industrija transporta koristi kompozitne komponente decenijama kako bi poboljšala aerodinamiku i ekonomičnost goriva. Predstoji revolucija u dizajnu teških kamiona koji će uključiti znatno poboljšanu aerodinamiku i smanjenu težinu. Ove inovacije su zasnovane na kompozitnim komponentama i dizajnu za smanjenje aerodinamičkog otpora. Procjenjuje se da novi dizajni napravljeni od uglađenih lakih kompozitnih komponenti mogu rezultirati uštedom goriva do 50 milijardi dolara godišnje.

 

Vazduhoplovstvo, vazduhoplovstvo i odbrana

Gledajući kroz spektar komercijalnih aviona, vojnih aviona, lansirnih vozila i orbitalnih svemirskih letelica, kompoziti od ugljeničnih vlakana igraju sve važniju ulogu u ispunjavanju ciljeva performansi. Inženjering kompozita je dobro razvijen u ovim arenama i tekuće inovacije se rutinski najavljuju. Ogromne količine karbonskih vlakana dodijeljene su za povjerljive vojne i odbrambene projekte napredne tehnologije. U komercijalnoj areni, desetine električnih aviona-za vertikalno poletanje (VTOL) tek sada postaju certificirani ili su u razvoju. Svi ovi novi avioni koriste karbonske kompozite kao primarni strukturni materijal.

 

Sportska oprema

Kompoziti od karbonskih vlakana nalaze se u svijetu sportske opreme zbog svoje snage i male težine. To uključuje: štapove za hokej, teniske rekete, lukove za streličarstvo, palice za golf i štapove za pecanje, skije, snowboardove, wakeboarde, daske za zmajeve i daske od folije. Svi koriste karbonska vlakna zajedno sa školjkama za veslanje i biciklima.

 

Lijek

Medicinsko polje je još jedna industrija u kojoj su karbonska vlakna imala značajan utjecaj posljednjih godina. Ugljična vlakna su transparentna na rendgenskim slikama, što je dovelo do njihove upotrebe u širokom spektru opreme za rendgensko snimanje i snimanje. Ugljična vlakna se također koriste u protetskim udovima, koji su jaki, lagani i udobni za nošenje i upotrebu.