Ugljična vlakna su tekstil koji se uglavnom sastoji od ugljika. Proizvodi se predenjem različitih polimera na bazi ugljika u vlakna, obradom istih kako bi se uklonila većina drugih tvari i tkanjem dobivenog materijala u tkaninu. To je obično ugrađeno u plastiku – obično epoksid – kako bi se formirala plastika ojačana ugljičnim vlaknima ili kompozit od ugljičnih vlakana. Najznačajnije značajke materijala su njegov visoki omjer čvrstoće i težine i relativna kemijska inertnost. Ova svojstva daju mu širok raspon primjena, ali je njegova upotreba ograničena činjenicom da je prilično skup.
Proizvodnja
Proizvodnja ovog materijala obično se temelji na poliakrilonitrilu (PAN), plastici koja se koristi u sintetičkom tekstilu za odjeću, ili smoli, tvari nalik katranu napravljenoj od nafte. Pitch se najprije ispređe u niti, ali PAN je normalno za početak u vlaknastom obliku. Pretvaraju se u ugljična vlakna snažnim zagrijavanjem kako bi se uklonili drugi elementi, kao što su vodik, kisik i dušik; ovaj proces je poznat kao piroliza. Istezanje vlakana tijekom ovog postupka pomaže u uklanjanju nepravilnosti koje bi mogle oslabiti konačni proizvod.
Sirova vlakna se u početku zagrijavaju na oko 590°F (300°C) na zraku i pod napetošću, u fazi poznatoj kao oksidacija ili stabilizacija. To uklanja vodik iz molekula i pretvara vlakna u mehanički stabilniji oblik. Zatim se zagrijavaju na oko 1,830°F (1,000°C) u odsutnosti kisika u fazi poznatoj kao karbonizacija. Time se uklanja daljnji neugljični materijal, ostavljajući uglavnom ugljik.
Kada su potrebna vlakna visoke kvalitete, visoke čvrstoće, dolazi do daljnje faze, poznate kao grafitizacija. Materijal se zagrijava na između 1,732 i 5,500°F (1,500 do 3,000°C) kako bi se formiranje ugljikovih atoma pretvorilo u strukturu sličnu grafitu. Time se također uklanja većina preostalih neugljikovih atoma. Izraz “ugljična vlakna” koristi se za materijale s udjelom ugljika od najmanje 90%. Gdje je sadržaj ugljika veći od 99%, materijal se ponekad naziva grafitna vlakna.
Sirova ugljična vlakna koja nastaju ne vežu se dobro sa tvarima koje se koriste za izradu kompozita, pa se blago oksidiraju obradom s odgovarajućim kemikalijama. Atomi kisika dodani strukturi omogućuju joj stvaranje veza s plastikom, kao što je epoksid. Nakon nanošenja tankog zaštitnog premaza, utkana je u pređe potrebnih dimenzija. One se zauzvrat mogu utkati u tkanine, koje se zatim obično ugrađuju u kompozitne materijale.
Struktura i svojstva
Pojedinačno vlakno ima promjer od oko 0.0002 do 0.0004 inča (0.005 do 0.010 mm); pređa se sastoji od mnogo tisuća ovih niti isprepletenih zajedno da tvore izuzetno jak materijal. Unutar svake niti, atomi ugljika su raspoređeni na sličan način kao i grafit: heksagonalni prstenovi spojeni zajedno da tvore listove. U grafitu su ove ploče ravne i samo labavo povezane jedna s drugom, tako da se lako rastavljaju. U ugljičnim vlaknima, listovi su presavijeni i zgužvani te tvore mnogo sićušnih, međusobno povezanih kristala, poznatih kao kristaliti. Što je viša temperatura korištena u proizvodnji, ovi kristaliti se više orijentiraju duž osi vlakna i veća je čvrstoća.
Unutar kompozita važna je i orijentacija samih vlakana. Ovisno o tome, materijal može biti jači u određenom smjeru ili jednako jak u svim smjerovima. U nekim slučajevima, mali komad može izdržati udar od više tona i još uvijek se minimalno deformirati. Složena isprepletena priroda vlakana čini ga vrlo teškim za lomljenje.
Što se tiče omjera snage i težine, kompozit od ugljičnih vlakana je najbolji materijal koji civilizacija može proizvesti u značajnim količinama. Najjači su otprilike pet puta jači od čelika i znatno lakši. Istraživanja su u tijeku o mogućnosti uvođenja ugljičnih nanocijevi u materijal, što može poboljšati omjer čvrstoće i težine za 10 ili više puta.
Ostala korisna svojstva su njegova sposobnost da izdrži visoke temperature i inertnost. Molekularna struktura je, poput grafita, vrlo stabilna, što mu daje visoku točku taljenja i smanjuje vjerojatnost kemijske reakcije s drugim tvarima. Stoga je koristan za komponente koje mogu biti izložene toplini i za primjene koje zahtijevaju otpornost na koroziju.
Koristi
Ugljična vlakna koriste se u mnogim područjima gdje je potrebna kombinacija visoke čvrstoće i male težine. To uključuje javni i privatni prijevoz, kao što su automobili, zrakoplovi i svemirske letjelice; sportska oprema, kao što su trkaći bicikli, skije i štapovi za pecanje; i graditeljstvo. Relativna inertnost materijala čini ga vrlo prikladnim za primjenu u kemijskoj industriji i medicini – može se koristiti u implantatima jer neće reagirati s tvarima u tijelu. U građevinarstvu je utvrđeno da se stari mostovi mogu poštedjeti uništavanja i obnove jednostavnim ojačanjima od ugljičnih vlakana, koja su relativno jeftinija.
Ekonomija
Od 2013. namjene i potražnja za ugljičnim vlaknima ograničene su njihovom cijenom. Bicikl napravljen od kompozita obično košta oko nekoliko tisuća američkih dolara (USD). Trkaći automobili Formule 200, koji putuju brzinom većom od 320 mph (1 km/h), mogu koštati više od XNUMX milijun USD za izgradnju i održavanje, trošak koji je dobrim dijelom određen velikodušnom upotrebom ovog materijala. Međutim, potražnja je značajno porasla, uglavnom zbog povećanja proizvodnje velikih komercijalnih zrakoplova. Ako se trošak može značajno smanjiti, mogao bi postati univerzalni materijal za vozila i male proizvode dizajnirane za ekstremnu izdržljivost i lakoću.