Številne vznemirljive uporabe in uporabe kompozitov iz ogljikovih vlaken

 

Kaj so kompoziti iz ogljikovih vlaken?

Kompozitni materiali so sestavljeni iz ojačitvenih vlaken, inkapsuliranih v polimerno smolo. V kompozitih se uporabljajo številne formulacije smol in vrst vlaken, vendar ogljikova vlakna izstopajo kot komponenta, ki jo najdemo v številnih visoko-zmogljivih izdelkih. V aplikacijah, kjer je prednost zmanjšanje teže ob ustvarjanju visoke trdnosti, so ogljikova vlakna izbira ojačitve v številnih naprednih kompozitnih strukturah.

 

Ogljikova vlakna najdemo v kompozitnih strukturah povsod, kjer sta trdnost in majhna teža prednost; najdemo ga v vrhunskih-športnih avtomobilih, dirkalnih avtomobilih, visoko{1}}zmogljivih čolnih, letalih in vesoljskih vozilih, medicinski opremi in opremi za športne pripomočke, vključno s smučmi, snežnimi deskami, teniškimi loparji, palicami za golf in stotinami drugih izdelkov.

 

Aplikacije za kompozite iz ogljikovih vlaken rastejo hitreje kot splošno gospodarstvo, saj se potreba po lahkih naprednih kompozitnih strukturah povečuje. Ekonomisti napovedujejo znatno povečanje industrijskih priložnosti z napredkom tehnologije in rastjo aplikacij. Vas zanima, kako kompoziti iz ogljikovih vlaken ustvarjajo visoko-zmogljive izdelke ali njihova vloga pri prihrankih energije z-zmanjšanjem teže? Izvedite več o uporabi ogljikovih vlaken in o tem, kako se vključiti v prihodnost kompozitne tehnologije.

 

Kaj so ogljikova vlakna?

Ogljikova vlakna, znana tudi kot grafitna vlakna, so močan, lahek material, izdelan iz več sto posameznih ogljikovih filamentov, ki so osemkrat tanjši od človeškega lasu. Filamenti so sestavljeni iz ogljikovih atomov, povezanih v dolge verige. Po teži je kompozit iz ogljikovih vlaken petkrat močnejši od jekla in dvakrat bolj tog zaradi visoke natezne trdnosti.

Kako so izdelana ogljikova vlakna?

Ogljikovi filamenti se začnejo s plastiko na osnovi akrila-, znano kot poliakrilonitril (PAN). Več-stopenjski postopek se začne s segrevanjem in predenjem poliakrilonitrilnih (PAN) vlaken v filamente. Ti filamenti se nato segrejejo na še višje temperature okoli 3000 F, pri čemer pridejo do oksidacije in karbonizacije, ki odstrani ne-ogljikove elemente in poravna ogljikove atome v tesno-zapakirane kristale. Nastala ogljikova vlakna so nato površinsko obdelana, sestavljena v snope in zavita v kolute. Ta vlakna so nato bodisi združena v večje snope, znane kot ogljikova "predivo", bodisi vtkana v tkanine.

 

Kako se uporabljajo ogljikova vlakna?

Prameni prediva ali tkanine iz ogljikovih vlaken so nasičeni s polimerno smolo, kot je epoksi, in oblikovani v kalup. Strjena smola zajame ogljikove filamente in ustvari togo matriko v želeni obliki izdelka. Kombinacija smolne matrice (epoksi) in ojačitvenih vlaken (karbon) ustvarja kompozitni material. Značilnosti kompozitov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, so majhna teža, togost in visoka natezna trdnost.

 

Zora ogljikovih vlaken

Zgodovina ogljikovih vlaken sega v pozno 19. stoletje, ko je Thomas Edison uporabil ogljikova vlakna kot filamente za zgodnje poskuse z žarnicami. Vendar pa so šele v 50. letih 20. stoletja ogljikova vlakna začela proizvajati kot material z visoko-trdnostjo.

Uporaba ogljikovih vlaken kot kompozitne komponente se je začela leta 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, je ustvaril uporabna ogljikova vlakna s segrevanjem pramenov rajona na približno 3000 stopinj F, dokler niso karbonizirali. Ta postopek je bil predhodnik sodobne metode proizvodnje ogljikovih vlaken. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bila prva komercialna proizvodnja ogljikovih vlaken po postopku, ki ga je razvil Union Carbide. Potencial ogljikovih vlaken kot kompozitne ojačitve je bil prepoznan in Rolls Royce jih je začel vgrajevati v komponente reaktivnih motorjev.

Leta 1970 je letalska in vesoljska industrija vodila napredek v tehnologiji kompozitov in uporaba ogljikovih vlaken je postala bolje dokumentirana in izpopolnjena. Tekmovanje je potekalo za uporabo te tehnologije v strukturah, kjer je bilo pomembno zmanjšanje teže in povečanje trdnosti. Ker so surova ogljikova vlakna dražja od drugih ojačitev iz vlaken, so bila prilagojena kritičnim aplikacijam, kjer so bili stroški drugotnega pomena glede na zmogljivost.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je prišlo do znatnega povečanja kompozitov iz ogljikovih vlaken, ko so se ti materiali začeli prebijati v industrijo športne opreme. Smuči, snežne deske, teniški loparji, palice za golf, ribiške palice in kolesarski okvirji so začeli vsebovati komponente iz ogljikovih vlaken zaradi svoje lahke in-velike trdnosti. V komercialnem sektorju so avtomobilska, motoristična in pomorska industrija začeli eksperimentirati z ogljikovimi vlakni za zmanjšanje teže vozila in izboljšanje zmogljivosti. Hkrati so vesoljske in obrambne aplikacije izboljševale inženirsko znanje-za uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken v najzmogljivejših aplikacijah.

Do leta 1990 se je uporaba kompozitov iz ogljikovih vlaken povečala, saj so proizvajalci našli načine za zmanjšanje stroškov in izboljšanje kakovosti ogljikovih vlaken. To je vodilo k širši uporabi, tudi v sektorjih gradbeništva in vetrne energije.

Ogljikova vlakna, kot glavni kompozitni material, so postala glavna v letu 2000. Ta material ni bil več omejen-na vrhunske aplikacije, ampak se je uporabljal v številnih panogah, od potrošniške elektronike do infrastrukture. V naslednjih dveh desetletjih so bili napredni kompoziti uporabljeni v aplikacijah,-čedalje bolj odmevnih, kot sta letala Boeing 787 in Airbus A350. Avtomobilska industrija je sprejela tehnologijo kompozitov-ki je navdihnila motoristične dirke, visoko{9}}čolni vseh vrst pa uporabljajo ogljikove kompozite kot primarne strukture. Pojav inženirskih orodij, kot sta analiza končnih elementov in računalniška dinamika tekočin, spodbuja-vse večjo zmogljivost in aplikacije za te kompozitne materiale.

 

Nekaj ​​res kul aplikacij ogljikovih vlaken

Danes se aplikacije za kompozite iz ogljikovih vlaken pojavljajo redno. Medtem ko so bila v preteklosti ogljikova vlakna eksotična in draga, lahko zdaj ogljikova vlakna najdete v številnih panogah in izdelkih, kot so:

 

Marine

Kompoziti iz ogljikovih vlaken so že več desetletij glavni steber visoko{0}}zmogljivih dirkalnih plovil. Čolni za pokal Amerike so primeri, kako tehnologijo pripeljejo do meja, s strukturami iz ogljikovih vlaken, ki se kosajo z vesoljsko konstrukcijo. Proizvodni čolni vse pogosteje vključujejo ogljikova vlakna v obdelavo z vakuumsko infuzijo s ciljem izdelave lažjih in hitrejših plovil.

 

Avtomobilizem

Ogljikova vlakna se vedno bolj uporabljajo v avtomobilski proizvodnji. Ti materiali so bili najprej uporabljeni v avtomobilih Formule 1 in Indy, ki so bili zgodnji uporabniki vesoljske tehnologije. Nato se je razširil na eksotične -športne avtomobile višjega cenovnega razreda in si trenutno utira pot v serijske avtomobile. "Lahka teža" je glavni cilj avtomobilskega oblikovanja za izboljšanje zmogljivosti in zmanjšanje vpliva na okolje. NASCAR je pred kratkim prešel na kompozitne karoserije za avtomobile serije Cup. Te nove karoserije so se izkazale za tako trdne, da so spremenile slog dirkanja, saj lahko avtomobili prenesejo večjo zlorabo.

 

Prevozništvo

Industrija tovornjakov že desetletja uporablja kompozitne komponente za izboljšanje aerodinamike in ekonomičnosti porabe goriva. Pričakuje se revolucija v oblikovanju težkih tovornjakov, ki bo vključevala močno izboljšano aerodinamiko in manjšo težo. Te inovacije temeljijo na kompozitnih komponentah in oblikovanju za zmanjšanje aerodinamičnega upora. Ocenjuje se, da lahko nove zasnove, izdelane z elegantnimi lahkimi kompozitnimi komponentami, povzročijo prihranek goriva do 50 milijard USD na leto.

 

Letalstvo, letalstvo in obramba

Če pogledamo čez spekter komercialnih letal, vojaških letal, nosilnih raket in orbitalnih vesoljskih plovil, kompoziti iz ogljikovih vlaken igrajo vse pomembnejšo vlogo pri doseganju ciljev učinkovitosti. Inženirstvo kompozitov je v teh arenah dobro razvito in tekoče inovacije se redno objavljajo. Ogromne količine ogljikovih vlaken so bile dodeljene tajnim vojaškim in obrambnim naprednim tehnološkim projektom. V komercialnem prizorišču na desetine električnih letal-z navpičnim vzletanjem (VTOL) pravkar dobivajo certifikat ali so v razvoju. Vsa ta nova letala uporabljajo ogljikove kompozite kot primarni strukturni material.

 

Športna oprema

Kompozite iz ogljikovih vlaken najdemo v svetu športne opreme zaradi svoje trdnosti in majhne teže. To vključuje: hokejske palice, teniške loparje, lokostrelske loke, palice za golf in ribiške palice, smuči, snežne deske, wakeboarde, kiteboarde in folij deske. Vsi uporabljajo ogljikova vlakna skupaj z veslaškimi školjkami in kolesi.

 

Zdravilo

Področje medicine je še ena industrija, kjer so ogljikova vlakna v zadnjih letih močno vplivala. Ogljikova vlakna so prosojna na rentgenskih slikah, kar je pripeljalo do njihove uporabe v široki paleti rentgenskih in slikovnih-oprem. Ogljikova vlakna se uporabljajo tudi v protetičnih okončinah, ki so močne, lahke in udobne za nošenje in uporabo.