Kolfiber är en textil som huvudsakligen består av kol. Det tillverkas genom att spinna olika kolbaserade polymerer till fibrer, behandla dem för att ta bort de flesta andra ämnen och väva det resulterande materialet till ett tyg. Detta är vanligtvis inbäddat i plast – vanligtvis epoxi – för att bilda kolfiberförstärkt plast eller kolfiberkomposit. De mest anmärkningsvärda egenskaperna hos materialet är dess höga hållfasthet-till-vikt-förhållande och dess relativa kemiska tröghet. Dessa egenskaper ger den ett brett spektrum av applikationer, men dess användning begränsas av det faktum att det är ganska dyrt.
Tillverkning
Tillverkningen av detta material är vanligtvis baserad på antingen polyakrylnitril (PAN), en plast som används i syntetiska textilier för kläder, eller beck, ett tjärliknande ämne tillverkat av petroleum. Pitch spins först till strängar, men PAN är normalt i fibrös form till att börja med. De omvandlas till kolfiber genom stark uppvärmning för att avlägsna andra element, såsom väte, syre och kväve; denna process är känd som pyrolys. Att sträcka ut fibrerna under denna procedur hjälper till att ta bort ojämnheter som kan försvaga slutprodukten.
De råa fibrerna värms initialt till cirka 590°F (300°C) i luft och under spänning, i ett steg som kallas oxidation eller stabilisering. Detta tar bort väte från molekylerna och omvandlar fibrerna till en mer mekaniskt stabil form. De värms sedan upp till cirka 1,830 1,000 ° F (XNUMX XNUMX ° C) i frånvaro av syre i ett steg som kallas förkolning. Detta tar bort ytterligare icke-kolmaterial och lämnar mestadels kol.
När högkvalitativa, höghållfasta fibrer krävs, sker ett ytterligare steg, känt som grafitisering. Materialet värms upp till mellan 1,732 5,500 och 1,500 3,000 °F (90 99 till XNUMX XNUMX °C) för att omvandla bildningen av kolatomer till en grafitliknande struktur. Detta tar också bort majoriteten av de kvarvarande icke-kolatomerna. Termen ”kolfiber” används för material med en kolhalt på minst XNUMX %. Där kolhalten är större än XNUMX % kallas materialet ibland för grafitfiber.
Den råa kolfibern som blir resultatet binder inte bra till de ämnen som används för att tillverka kompositer, så den oxideras milt genom behandling med lämpliga kemikalier. Syreatomerna som läggs till strukturen gör det möjligt för den att bilda bindningar med plast, såsom epoxi. Efter att ha fått en tunn skyddande beläggning vävs den till garn med de nödvändiga dimensionerna. Dessa kan i sin tur vävas till tyger, som sedan vanligtvis inkorporeras i kompositmaterial.
Struktur och egenskaper
En enkel fiber har en diameter av cirka 0.0002 till 0.0004 tum (0.005 till 0.010 mm); Garnet består av tusentals av dessa trådar som är sammanvävda till ett extremt starkt material. Inom varje sträng är kolatomerna ordnade på ett liknande sätt som grafit: hexagonala ringar sammanfogade för att bilda ark. I grafit är dessa ark platta och endast löst bundna till varandra, så att de lätt glider isär. I en kolfiber är arken vikta och skrynkliga och bildar många små, sammankopplade kristaller, kända som kristalliter. Ju högre temperatur som används vid tillverkningen, desto mer orienterar dessa kristalliter sig längs fiberns axel och desto större hållfasthet.
Inom en komposit är orienteringen av själva fibrerna också viktig. Beroende på detta kan materialet vara starkare i en viss riktning eller lika starkt i alla riktningar. I vissa fall kan en liten bit motstå en stöt på många ton och ändå deformeras minimalt. Fiberns komplexa sammanvävda natur gör den mycket svår att bryta.
När det gäller förhållandet mellan styrka och vikt är kolfiberkomposit det bästa materialet som civilisationen kan producera i avsevärda mängder. De starkaste är ungefär fem gånger starkare än stål och betydligt lättare. Forskning pågår om möjligheten att föra in kolnanorör i materialet, vilket kan förbättra förhållandet mellan styrka och vikt med 10 gånger eller mer.
Andra användbara egenskaper den har är dess förmåga att motstå höga temperaturer och dess tröghet. Den molekylära strukturen är, precis som grafit, mycket stabil, vilket ger den en hög smältpunkt och gör det mindre benäget att reagera kemiskt med andra ämnen. Det är därför användbart för komponenter som kan utsättas för värme och för applikationer som kräver motståndskraft mot korrosion.
du använder
Kolfiber används inom många områden där en kombination av hög hållfasthet och låg vikt krävs. Dessa inkluderar offentliga och privata transporter, såsom bilar, flygplan och rymdfarkoster; sportutrustning, som racercyklar, skidor och fiskespön; och konstruktion. Materialets relativa tröghet gör det väl lämpat för tillämpningar inom den kemiska industrin och inom medicin — det kan användas i implantat eftersom det inte reagerar med ämnen i kroppen. Inom anläggningsarbetet har man funnit att gamla broar kan besparas från förstörelse och återuppbyggnad genom enkla kolfiberförstärkningar, som är jämförelsevis billigare.
Ekonomi
Från och med 2013 har användningen och efterfrågan på kolfiber begränsats av dess kostnad. En cykel gjord av komposit kostar vanligtvis runt några tusen dollar (USD). Formel 200-racingbilar, som färdas i hastigheter över 320 mph (1 km/h), kan kosta över XNUMX miljon USD att bygga och underhålla, en kostnad som till stor del bestäms av den generösa användningen av detta material. Efterfrågan har dock ökat avsevärt, till stor del beroende på den ökade produktionen av stora kommersiella flygplan. Om kostnaden kan reduceras avsevärt kan det bli ett universellt material för fordon och små produkter designade för extrem hållbarhet och lätthet.