Uhlíkové lamináty: Inovativní materiály s extrémní pevností a nízkou hmotností

Uhlíkové vlákno (též karbonové vlákno, z angl. carbon fibre) je název pro vlákno obsahující uhlík v různých modifikacích. Jedná se o dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5-8 μm složeného převážně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Uhlíková vlákna jsou materiály složené převážně z atomů uhlíku spojených dohromady a tvořící dlouhé řetězce. Tyto řetězce jsou uspořádány, což vláknu dává vysokou pevnost a tuhost. Uhlíkové vlákno je nový typ vláknitého materiálu s vysokou pevností a vysokým modulem, což jsou vlákna s obsahem uhlíku nad 95 procent.

Historie a vývoj uhlíkových vláken

Edison použil bambusovou dřevinu ke zhotovení prvního uhlíkového vlákna do žárovky v roce 1880. S průmyslovou výrobou uhlíkových vláken z polyakrylnitrilu se začalo v Japonsku v roce 1971. Za počátek výroby uhlíkových vláken ze smol (izotropních nebo mezofázových) se označuje rok 1976. Vyráběné množství, resp. podíl na celkové produkci není ve statistikách viditelný. V 90. letech minulého století se zkoušela výroba uhlíkových vláken z fenol-aldehydových prekurzorů.

Výroba uhlíkových vláken

Proces výroby uhlíkových vláken zahrnuje několik klíčových fází:

1. Příprava prekurzoru: Úprava výchozího materiálu buď tavným zvlákňováním nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivní strukturu a pevnost uhlíkových vláken. Uhlíková vlákna na bázi polyakrylonitrilu (PAN) tvoří velkou většinu trhu s uhlíkovými vlákny. Uhlíková vlákna na bázi smoly mohou být vyrobena z ropné smůly nebo uhelné dehtové smoly.
2. Stabilizace (oxidace): Prekurzorové vlákno se zahřívá na vzduchu na poměrně nízké teploty 200 - 450 °C na 20 - 30 minut, aby se stabilizovala jeho molekulární struktura. To zabraňuje tavení vlákna během následného procesu karbonizace. To způsobí, že vlákno sbírá kyslíkové molekuly ze vzduchu a dojde tak k přerovnání atomové struktury vlákna. Při stabilizaci vzniká ve vlákně také vlastní teplo, které musí být kontrolováno, aby se zabránilo přehřívání vlákna.
3. Karbonizace: Stabilizované vlákno se zahřívá na vysoké teploty (typicky 1000-2000 °C) v inertní atmosféře (např. dusík nebo argon). Tento proces odstraňuje neuhlíkové prvky a zvyšuje obsah uhlíku typicky nad 92 %. Bez přístupu kyslíku vlákno nemůže hořet. Místo toho způsobí vysoká teplota rozkmitání atomů ve vlákně tak, že většina neuhlíkových atomů je odstraněna.
4. Grafitizace: Nemusí se provádět, pokud se provede, vznikají tzv. grafitová vlákna. Provádí se v inertní atmosféře, při teplotách mezi 2 400 °C - 3 000 °C. Dochází ke zvýšení obsahu uhlíku na cca 99 % a více.
5. Povrchová úprava: Povrch uhlíkového vlákna je často upravován, aby se zlepšila jeho adheze k matricovému materiálu v kompozitu. Povrch vlákna dobře neváže epoxidy a další látky používané v kompozitních materiálech. Proto se povrch vlákna mírně oxiduje. Přidání kyslíkových atomů na povrch umožňuje lepší přilnavost dalších látek a zhrubnutí povrchu pro lepší mechanické spojení s těmito látkami. Okysličení může být dosaženo přístupem plynů jako je vzduch, oxid uhličitý, nebo ozon, nebo ponořením do různých kapalin jako chlornanu sodného nebo kyseliny dusičné.
6. Klížení: Na uhlíkové vlákno se nanese klížicí prostředek, aby se chránilo během manipulace a tkaní a dále se zlepšila jeho kompatibilita s matricovým materiálem.

Vlastnosti uhlíkových laminátů a kompozitů

Kompozitní materiály využívající uhlíková vlákna nabízejí řadu výjimečných vlastností, které je činí nenahraditelnými v mnoha odvětvích.

• Vysoká pevnost v tahu: Uhlíková vlákna jsou velmi pevná v tahu, což znamená, že vydrží velkou tahovou sílu před zlomením. Pevnost v tahu se typicky měří v MPa (megapascalech). Pevnost v tahu kompozitů z uhlíkových vláken je 300-600 MPa, v ohybu 150-300 MPa. Podélná pevnost v tahu, σ, uhlíkového vlákna je maximální tahové napětí, které vlákno vydrží před zlomením, když je taženo podél své délky.
• Vysoký modul pružnosti (tuhost): Uhlíková vlákna jsou velmi tuhá, což znamená, že odolávají deformaci pod zatížením. Modul pružnosti se typicky měří v GPa. Modul pružnosti kompozitů je 20-50 GPa, což zaručuje vynikající odolnost vůči nárazům a deformacím.
• Nízká hustota / nízká hmotnost: Uhlíková vlákna jsou lehká, s hustotou typicky kolem 1,75-1,9 g/cm³. Vlákna mají průměrnou hustotu 1750 kg/m³. Jsou výrazně lehčí než kovy, což šetří energii a zlepšuje výkon strojů. Uhlíkové vlákno je lehčí než hliníkový kov.
• Teplotní stálost: Kompozity nabízejí spolehlivost a tvarovou stálost až do 250 °C. Uhlíkové vlákno má extrémně vysokou teplotní odolnost v neoxidujícím prostředí.
• Maximální odolnost: Neohrozí je koroze, agresivní chemikálie, vlhkost ani UV záření. Mají dobrou odolnost proti korozi.
• Pružnost: Modul pružnosti 20-50 GPa zaručuje vynikající odolnost vůči nárazům a deformacím.
• Křehkost: Tažnost je menší než např. u skelných vláken. Chování uhlíkových vláken v tlaku je složité.
• Vodivost: Uhlíkové vlákno má dobrou vodivost, proto je jeho izolace špatná. Když uhlíková vlákna narazí na vlhké prostředí nebo kapaliny, jejich elektrický odpor se výrazně sníží, což povede ke snížení izolačního výkonu.
• Poissonův poměr, ν: Popisuje poměr příčné deformace k osové deformaci, když je materiál vystaven jednoosému napětí.

Srovnání uhlíkových a skelných vláken

Skleněná vlákna a uhlíková vlákna jsou dva běžně vídané kompozitní materiály vyztužené vlákny, přesto mají významný rozdíl v mechanických vlastnostech a funkcích.

Čtěte také: Přečtěte si více o vysokotlakých laminátech

Specializované technologie laminování

Pro vytváření inovativních dílů zpracováváme skelná a uhlíková vlákna ve spojení se špičkovými epoxidovými a polyesterovými pryskyřicemi. Naše specializované technologie laminování zahrnují:

1. Laminování hliníkových svařenců: Unikátní spojení kovu a kompozitu. Potažením hliníkových svařenců vrstvami skelných vláken a pryskyřice zásadně zvyšujeme jejich tuhost a prodlužujeme životnost, aniž bychom drasticky zvyšovali jejich hmotnost. Následně dokážeme vysoce přesně obrobit dosedací plochy a kontury.
2. Přesné laminování do forem: Potřebujete složité tvary, kterých běžným obráběním nedosáhnete? Pomocí speciálně navržených forem přesně vrstvíme vlákna a pryskyřici. Výsledkem jsou tvarově složité, ale extrémně pevné a lehké 3D díly.
3. CNC obrábění laminátů: Finální úprava kompozitů na milimetr přesně. Hotové laminátové bloky či odlitky přesně obrobíme do požadovaných komplexních tvarů. Získáte tak hotový montážní díl, který bez problému obstojí v tepelně i mechanicky vysoce namáhaném prostředí.

Použití uhlíkových laminátů

Uhlíková vlákna se používají výhradně pro technické účely a naprostá většina z nich se uplatňuje jako výztuž kompozitů. Díky své vysoké pevnosti a tuhosti se uhlíkové vlákno běžně používá při výrobě špičkových produktů.

• Letectví a kosmonautika: Konstrukce letadel, jako jsou křídla a trupy, využívají kompozity z uhlíkových vláken ke snížení hmotnosti a zlepšení palivové účinnosti.
• Automobilový průmysl: Uhlíková vlákna se používají v automobilových součástech, jako jsou panely karoserie, podvozky a části zavěšení, ke snížení hmotnosti a zlepšení výkonu.
• Stavebnictví: Uhlíková vlákna se používají ve stavebnictví pro zpevnění a opravy betonových konstrukcí.
• Medicína: Uhlíková vlákna se používají v lékařských implantátech, jako jsou ortopedické implantáty a protetické pomůcky, kvůli jejich biokompatibilitě a vysokému poměru pevnosti k hmotnosti.
• Energetický průmysl: Využívají se tam, kde běžné kovy narážejí na své limity, například u rotorů.
• Sportovní vybavení: Hojně se využívají při výrobě sportovních potřeb, kde je klíčová nízká hmotnost a vysoká pevnost.

Čtěte také: Kompletní průvodce lamináty Triumph Daytona

Čtěte také: Značky a distribuce HPL

tags: #uhlikove #laminaty #bakalarska #informace

Oblíbené příspěvky:

• OSB desky a akustika podlah
• Broušení OSB desek podlah
• Funkčnost a estetika sádrokartonových prvků
• Průvodce laminovými obklady
• Inovativní řešení pro váš domov