Hvordan lages karbonfiber?
Produksjonen, bruken og fremtiden til dette sterke, lette materialet
- / AFP / Getty Images
Også kalt grafittfiber eller karbongrafitt, karbonfiber består av svært tynne tråder av grunnstoffet karbon. Disse fibrene har høy strekkfasthet og er ekstremt sterke for størrelsen. Faktisk, en form for karbonfiber-den karbon nanorør – anses som det sterkeste materialet som er tilgjengelig. Karbonfiber applikasjoner inkluderer konstruksjon, engineering, romfart, høyytelseskjøretøy, sportsutstyr og musikkinstrumenter. På energiområdet brukes karbonfiber i produksjon av vindmølleblader, naturgasslagring og brenselceller for transport. I flyindustrien har den bruksområder i både militære og kommersielle fly, samt ubemannede luftfartøyer. For oljeleting brukes den til produksjon av dypvannsboreplattformer og rør.
Raske fakta: Karbonfiberstatistikk
- Hver tråd av karbonfiber er fem til 10 mikron i diameter. For å gi deg en følelse av hvor lite det er, er en mikron (um) 0,000039 tommer. En enkelt tråd av edderkoppsilke er vanligvis mellom tre til åtte mikron.
- Karbonfibre er dobbelt så stive som stål og fem ganger så sterke som stål (per vektenhet). De er også svært kjemisk motstandsdyktige og har høy temperaturtoleranse med lav termisk ekspansjon.
Råvarer
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 polyakrylnitril (PAN)-prosessen. En liten mengde (omtrent 10%) er produsert av rayon eller petroleumsbekprosessen.
Gasser, væsker og andre materialer som brukes i produksjonsprosessen skaper spesifikke effekter, kvaliteter og kvaliteter av karbonfiber. Karbonfiberprodusenter bruke proprietære 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 som et stoff har en spesiell egenskap, for eksempel elastisitet), brukes i krevende bruksområder som romfart.
Produksjonsprosess
Å lage karbonfiber involverer både kjemiske og mekaniske prosesser. Råvarer, kjent som forløpere, trekkes inn i lange tråder og varmes deretter opp til høye temperaturer i et anaerobt (oksygenfritt) miljø. I stedet for å brenne, får den ekstreme varmen fiberatomene til å vibrere så voldsomt at nesten alle ikke-karbonatomer blir drevet ut.
Etter at karboniseringsprosessen er fullført, består den gjenværende fiberen av lange, tett sammenkoblede karbonatomkjeder med få eller ingen ikke-karbonatomer igjen. Disse fibrene blir deretter vevd inn i stoff eller kombinert med andre materialer som deretter filamentvikles eller støpes til ønsket form og størrelse.
Følgende fem segmenter er typiske i PAN-prosessen for produksjon av karbonfiber:
- Behovet for mer kostnadseffektiv utvinning og reparasjon
- Uholdbare produksjonskostnader for enkelte bruksområder: For eksempel, selv om ny teknologi er under utvikling, på grunn av uoverkommelige kostnader, er bruken av karbonfiber i bilindustrien for tiden begrenset til høyytelses- og luksuskjøretøyer.
- Overflatebehandlingsprosessen må reguleres nøye for å unngå å lage groper som resulterer i defekte fibre.
- Tett kontroll kreves for å sikre jevn kvalitet
- Helse- og sikkerhetsproblemer inkludert hud- og pusteirritasjon
- Lysbuer og kortslutninger i elektrisk utstyr på grunn av den sterke elektriske ledningsevnen til karbonfibre
- McConnell, Vicki. ' Fremstillingen av karbonfiber .' CompositeWorld . 19. desember 2008
- Sherman, Don. ' Beyond Carbon Fiber: Det neste banebrytende materialet er 20 ganger sterkere. ' Bil og sjåfør. 18. mars 2015
- Randall, Danielle. MIT-forskere samarbeider med Lamborghini for å utvikle en fremtidens elbil . MITMECHE/In The News: Institutt for kjemi. 16. november 2017
- 'Karbonfibermarked etter råmateriale (PAN, pitch, Rayon), fibertype (virgin, resirkulert), produkttype, modul, anvendelse (kompositt, ikke-kompositt), sluttbruksindustri (A & D, bilindustri, vindenergi ), og Region—Global Forecast til 2029.' Markeder og markeder. september 2019
Karbon nanorør er produsert via en annen prosess enn standard karbonfibre. Anslått til å være 20 ganger sterkere enn deres forløpere, blir nanorør smidd i ovner som bruker lasere for å fordampe karbonpartikler.
Produksjonsutfordringer
Produksjonen av karbonfiber har en rekke utfordringer, inkludert:
Karbonfibers fremtid
Ettersom karbonfiberteknologien fortsetter å utvikle seg, vil mulighetene for karbonfiber bare diversifiseres og øke. Ved Massachusetts Institute of Technology viser flere studier med fokus på karbonfiber allerede mye løfte for å skape ny produksjonsteknologi og design for å møte den nye etterspørselen fra industrien.
MIT førsteamanuensis i maskinteknikk John Hart, en nanorørpioner, har jobbet med studentene sine for å transformere teknologien for produksjon, inkludert å se på nye materialer som skal brukes sammen med kommersielle 3D-skrivere. «Jeg ba dem om å tenke helt utenfor skinnene; hvis de kunne tenke seg en 3-D-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-is og karbonfiberkompositter. I følge Hart skapte studentteam også maskiner som kunne håndtere parallellekstrudering av polymerer med store arealer og utføre in situ optisk skanning av utskriftsprosessen.
I tillegg jobbet Hart sammen med MIT førsteamanuensis i kjemi Mircea Dinca på et nylig avsluttet treårig samarbeid med Automobili Lamborghini for å undersøke mulighetene for nye karbonfiber- og komposittmaterialer som en dag ikke bare kan gjøre det mulig for hele bilen å bli brukes som et batterisystem, men fører til 'lettere, sterkere kropper, mer effektive katalysatorer, tynnere maling og forbedret varmeoverføring i drivverket [totalt].'
Med slike fantastiske gjennombrudd i horisonten er det ikke rart at karbonfibermarkedet har blitt anslått å vokse fra 4,7 milliarder dollar i 2019 til 13,3 milliarder dollar innen 2029, med en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 11,0 % (eller litt høyere) over samme tidsperiode.