Uhlíkové vlákno: Klíčový materiál pro moderní strojírenství a izolaci

Uhlíkové vlákno, známé také jako karbonové vlákno, je dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5-10 mikronů, složený převážně z atomů uhlíku. Je to vláknitý uhlíkový materiál získaný z organických vláken karbonizačními procesy. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna.

Uhlíkové vlákno je vláknem s nejvyšší specifickou pevností a specifickým modulem mezi sériově vyráběnými vysoce výkonnými vlákny. Specifická pevnost je poměr pevnosti materiálu k jeho zdánlivé hustotě. Čím vyšší je měrná pevnost, tím lehčí je materiál použitý k dosažení odpovídající pevnosti. Specifický modul je modul pružnosti na jednotku hustoty a je důležitým ukazatelem únosnosti materiálu.

Struktura uhlíkového vlákna

Struktura uhlíkového vlákna závisí na struktuře prekurzoru a procesu karbonizace. Základním prvkem této struktury je šestiúhelníková mřížka vrstvy atomů uhlíku, tvořící roviny vrstev. V rovině vrstvy jsou atomy uhlíku spojeny silnými kovalentními vazbami s délkou vazby 0.1421 nm. Roviny vrstev jsou spojeny slabými van der Waalsovými silami s mezivrstevnou vzdáleností mezi 0.3360-0.3440 nm.

Během procesu výroby se v důsledku velkého množství prvků a různých plynů (např. CO, CO2, H2O, NH3, H2, N2) unikajících během procesu karbonizace prekurzoru na jeho povrchu a v interiéru vytvoří různé drobné defekty a dutiny.

Historie a výroba 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. V 90. letech minulého století se zkoušela výroba uhlíkových vláken z fenol-aldehydových prekurzorů.

Čtěte také: Použití skelné vlny Isover v praxi

Výroba uhlíkových vláken zahrnuje několik klíčových fází:

  1. Příprava prekurzoru: Úprava výchozího materiálu buď tavným zvlákňováním, nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivňuje strukturu a pevnost uhlíkových vláken.
  2. Stabilizace: Před karbonizací je třeba, aby z dlouhých uhlíkových vláken vznikla teplotně stabilní zesítěná struktura. Provádí se na vzduchu zahřátím na poměrně nízké teploty 200-450 °C na 20-30 minut. 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: Jedná se o převod prekurzoru na uhlíková vlákna. Provádí se v inertní atmosféře (obyčejně dusíkové), při teplotách mezi 1 000 °C - 2 000 °C. 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 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.

Typy uhlíkových vláken

Uhlíková vlákna lze rozdělit především do tří kategorií na základě jejich prekurzorů:

  • Uhlíkové vlákno na bázi polyakrylonitrilu (PAN): Tvoří se zvlákňováním, předoxidací a karbonizací polyakrylonitrilu. Má vysokou pevnost, vysokou tuhost, nízkou hmotnost, odolnost proti vysokým teplotám, odolnost proti korozi, vynikající elektrické vlastnosti a velmi silný odpor v tlaku a ohybu.
  • Uhlíkové vlákno na bázi smoly: Vyrábí se z ropné smoly nebo uhelné smoly rafinací smoly, spřádáním, předoxidací, karbonizací nebo grafitizací. Má relativně nízkou pevnost v tlaku a jeho výkon po zpracování není tak dobrý jako uhlíková vlákna na bázi PAN, takže jeho výrobní rozsah a oblasti použití jsou poněkud omezené.
  • Uhlíkové vlákno na bázi hedvábí: Získává se z viskózového vlákna, které se skládá hlavně z celulózy, dehydratací, pyrolýzou a poté karbonizací. Má nedostatečně vyvinutou trojrozměrnou grafitovou strukturu a malou tepelnou vodivost. Výrobní proces je však delší, podmínky procesu jsou přísné a není vhodný pro velkosériovou výrobu, což má za následek vyšší náklady. Celkové výkonnostní ukazatele uhlíkových vláken na bázi umělého hedvábí jsou navíc horší než u uhlíkových vláken na bázi PAN a jejich komplexní poměr výkonu a ceny je v konkurenci nevýhodný.

Dělení dle svazku a výkonu

Uhlíková vlákna se také dělí podle velikosti svazku:

  • Malý vlek: Specifikace svazku uhlíkových vláken jsou nižší než 24 K, s počtem jednotlivých vláken ve svazku mezi 1 000 a 24 000. Malá tažná uhlíková vlákna mají přísné požadavky na kontrolu procesu, vysoké náklady na zařízení pro karbonizaci atd. a vyšší výrobní náklady.
  • Velký vlek: Specifikace svazku dosahují nebo překračují 48 K, přičemž počet jednotlivých vláken ve svazku přesahuje 48 000, včetně 48 K, 60 K, 80 K atd.

Pojmenování druhů uhlíkových vláken obsahuje klíčové informace o jejich výkonu a aplikacích. Řady T a M jsou nejpoužívanější:

Řada T (vysoká pevnost)

  • Uhlíkové vlákno T300: Číslo „300“ v této třídě představuje konkrétní výkonnostní úroveň. T300 má střední pevnost a modul a jeho název odráží jeho relativní postavení v historii vývoje uhlíkových vláken. Díky relativně vyrovnanému výkonu a mírným nákladům je široce používán v průmyslových oblastech.
  • Uhlíkové vlákno T700: Dosáhlo výrazného výkonnostního skoku. Číslo „700“ naznačuje výrazné zvýšení pevnosti ve srovnání s T300. Toto zvýšení síly umožnilo T700 najít široké uplatnění v automobilovém průmyslu.
  • Uhlíkové vlákno T800: Jako zástupce vysokého výkonu jasně ukazuje svůj vynikající výkon z hlediska síly s „800“. V oblasti letectví a kosmonautiky, kde jsou materiálové požadavky téměř náročné, se T800 stal díky své ultra vysoké pevnosti, vynikajícímu modulu a dobré tepelné stabilitě ideální volbou pro výrobu klíčových konstrukčních součástí letadel, jako jsou hlavní nosné části křídel a konstrukční součásti kosmických lodí.

Řada M (vysoký modul)

  • Uhlíkové vlákno M40: Číslo „40“ vyjadřuje jeho úroveň modulu. Charakteristiky vysokého modulu z něj činí důležitou roli v oblastech, které vyžadují extrémně vysokou rozměrovou stabilitu a přesnost.
  • Uhlíkové vlákno M55: Číslo „55“ v jeho názvu dále odráží vyšší úroveň modulu. Současně má M55 také vynikající odolnost vůči vysokým teplotám.

Vlastnosti a aplikace uhlíkových vláken

Uhlíkové vlákno je jedním z nejpokročilejších materiálů používaných v moderním strojírenství, známý pro svou výjimečnou pevnost, nízkou hmotnost a vysokou odolnost. Má dobrou odolnost vůči kyselinám, je inertní vůči kyselinám a odolný vůči koncentrované kyselině chlorovodíkové, kyselině fosforečné, kyselině sírové atd. Vlákna mají průměrnou hustotu 1750 kg/m3 a jemnost 5-10 µm. Jsou však křehká, tažnost je menší než například u oceli. Uhlíková vlákna se používají výhradně pro technické účely a naprostá většina z nich se uplatňuje jako výztuž kompozitů.

Čtěte také: jak vybrat minerální izolaci pro váš dům

V praktických aplikacích je výběr vhodného uhlíkového vlákna zásadní. Například v oblasti sportovního vybavení, pokud usilujete o vysoký výkon a špičkovou kvalitu, mohou být uhlíková vlákna řady T800 nebo M vybrána k výrobě špičkových soutěžních kol nebo golfových holí, aby vyhověla konečným požadavkům sportovců na lehkost a vysokou posilovací zařízení.

Uhlíkové vlákno jako kompozitní materiál

Uhlíkové vlákno samo o sobě není kompozit, ale téměř vždy se používá k jeho vytvoření. Samotné uhlíkové vlákno není vhodné jako samostatný konstrukční materiál, protože postrádá soudržnost a tvar bez pojivové matrice. Kompozitní materiál je tvořen kombinací dvou nebo více odlišných materiálů pro dosažení lepšího výkonu než každá jednotlivá součást. Výztuha poskytuje pevnost a tuhost, zatímco matrice vše spojuje a přenáší zatížení.

Uhlíkové vlákno se stává kompozitem, když je kombinováno se systémem polymerní pryskyřice. Bez pryskyřice nemůže uhlíkové vlákno fungovat jako konstrukční materiál. Proto jsou všechny praktické produkty z uhlíkových vláken vlastně kompozity. Ne všechny kompozity z uhlíkových vláken jsou stejné. Pro výkon je rozhodující výběr správné kombinace vlákna a pryskyřice. V průmyslu a běžném jazyce se termín 'uhlíkové vlákno' často používá jako zkratka pro konečný kompozitní materiál. Technicky jsou všechny tyto kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny, nikoli surová uhlíková vlákna. Toto zjednodušení je široce přijímáno, ale často vede k nejasnostem.

Uhlíkové CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers) lamely se skládají z vysoce pevnostních uhlíkových vláken, která jsou obalena v polymerovém pojivu. Vysoce pevnostní uhlíková vlákna jsou schopna přenášet zatížení a vykazují velmi vysokou pevnost a tuhost při namáhání v tahu. Lamela samotná obsahuje velké množství uhlíkových vláken, jež jsou zpevněna polymerovým pojivem.

Klíčové body o uhlíkových kompozitech:

Čtěte také: Inovativní izolace STEICOflex 036

  • Kompozity z uhlíkových vláken jsou často srovnávány s kompozity ze skleněných vláken.
  • V aplikacích citlivých na hmotnost uhlíkové vlákno výrazně předčí kovy.
  • Kompozity vyžadují konstrukci založenou na designu, nikoli jednoduchou náhradu materiálu.

Náklady na kompozity z uhlíkových vláken jsou kvůli výrobě surovin, spotřebě energie a složité výrobě vyšší. Náklady na životní cyklus však mohou být nižší díky odolnosti a úspoře hmotnosti. Recyklované uhlíkové vlákno (rCF) je stále důležitější.

Oblasti využití uhlíkových vláken

Uhlíkové vlákno a jeho kompozity nacházejí široké uplatnění v mnoha odvětvích:

Letecký průmysl

Při výrobě leteckých motorů aplikace titanových slitin značně snížila hmotnost motorů, ale jako kov existuje vážný problém únavy. Pokud je kov vystaven dostatečně velkým silám po dlouhou dobu, dojde k mikrotrhlinám, které se mohou při prasknutí celého materiálu rozvinout v bezpečnostní riziko. Ve srovnání s kovovými materiály uhlíkový kompozit nemá koncept únavové pevnosti a má také vlastnosti nízké hustoty, vysoké pevnosti a silné odolnosti proti únavě. Využívá se k výrobě zásobníků raketového paliva, plášťů letadel atd.

Automobilový průmysl

Má široké uplatnění v nové energetické oblasti. Snížení hmotnosti automobilů může snížit emise oxidu uhličitého, takže lehkost automobilu je důležitou metodou úspory energie.

Sportovní vybavení

Při použití ve sportovním vybavení mají mnoho výhod, jako je lehkost a dobré mechanické vlastnosti. Lehké sportovní vybavení pomáhá uživatelům dosahovat lepších výkonů, jako jsou tenisové rakety, golfové hole, jízdní kola, lyže atd. Některá zařízení, která se pohybují jinou silou než lidskou silou, jako jsou závodní auta a lodě, se navíc snáze ovládají, když jsou lehčí.

Konstrukce

Uhlíkové CFRP lamely se využívají zejména pro zesilování betonových a železobetonových konstrukcí, v menší míře pak při aplikacích u zděných staveb. Stavby mohou potřebovat zesílení v důsledku stárnutí, chyb při projektování, poškození, změny použití nebo zatížení. Lamely je nutno aplikovat na předem dobře připravený a obroušený povrch konstrukce.

Uhlíkové CFRP lamely je možno také předpínat a dosahovat s nimi dalších možností statického zajišťování. Předepnutím lamel je možno dosáhnout zvýšení kapacity užitného zatížení vyztužované konstrukce. Dále zmenšuje deformaci a ohyb zajišťované konstrukce vlastní tíhou, zmenšuje možnou šíři trhlin a oddaluje počátek jejich tvorby. Předepnutí lamel umožňuje využít jejich vysokou pevnost v tahu.

Další aplikace

Nasekaná uhlíková vlákna jsou vysoce pevná uhlíková vlákna s vysokým modulem zpracovaná na svazky a řezaná do určených délek. Používají se hlavně jako termoplastická zpevnění pryskyřice, obvykle v délkách 6 mm, ačkoli práškové formy jsou také k dispozici pro zvýšenou výztuž a manipulaci.

Kromě toho se uhlíková vlákna používají v těchto oblastech:

  • Vyztužené modifikované plasty: nylon (PA), polypropylen (PP), polykarbonát (PC), fenolický (PF), polytetrafluorethylen (PTFE), polyimid (PI) atd.
  • Konstrukce: Cement vyztužený uhlíkovými vlákny, vodivé povlaky, antistatické podlahy atd.
  • Elektrické vytápění: Vodivé filmy, elektrické topné desky, vodivé povrchové kolty, jehlové kolty atd.
  • Ochranné materiály: Elektromagnetické stínění kouře, stěny stínění záclon atd.
  • Tepelná izolace: Refrakterní sochory a cihly vyztužené z uhlíkových vláken, keramika vyztužená z uhlíkových vláken atd.

Pochopení toho, jak uhlíkové vlákno funguje v kompozitech, pomáhá objasnit, proč nejde o samostatný materiál. Uhlíkové vlákno samo o sobě není kompozitní materiál - je to vyztužující vlákno. V reálných aplikacích jsou téměř všechny produkty z 'uhlíkových vláken' ve skutečnosti kompozity. Pochopení tohoto rozdílu je zásadní pro rozhodování o inženýrství, designu a nákupu.

Kompozity z uhlíkových vláken mají vyšší poměr pevnosti k hmotnosti než ocel. Často jsou klasifikovány jako polymerní kompozity kvůli pryskyřičné matrici, ale fungují daleko za hranicemi typických plastů. Ke své struktuře vyžadují matricový materiál.

tags: #vlna #s #uhlikovymi #vlakny #izolace

Oblíbené příspěvky: