Hur tillverkas kolfiber?
Kolfiber är gjord av polyakrylnitril (PAN) fibrer. Dessa PAN-fibrer erhålls genom polymerisation, spinning och sträckning av polymerer. De erhållna polymerkedjorna är anordnade längs filamentaxelns riktning. Detta är avgörande för att erhålla egenskaperna hos kolfiber.
Sedan omvandlas PAN-fibrer till kolfibrer genom förkolningsprocessen. Det första steget kallas oxidation, vilket gör polyakrylnitrilfibrer icke brandfarliga. Oxidation sker mellan 200 och 300 grader C. I detta steg appliceras spänning på fiberfilamenten för att säkerställa att polymerkedjorna förblir korrekt inriktade.
I nästa steg, som kallas karbonisering, appliceras värme på fibrerna för att avlägsna icke-kolatomer och endast behålla kolatomer. Vid en temperatur på cirka 1500 grader C reagerar oxiderade polyakrylnitrilfibrer i en inert atmosfär för att bilda karakteristiska grafitplan av kolfibrer.
Kolfiber kan genomgå en andra värmebehandling vid temperaturer över 2 grader C. Under inverkan av värme omvandlas kolfiberns kristallstruktur till kolfiber med hög modul.
Sedan genomgår kolfibern ytbehandling: kemisk elektrolys. Det tillåter ympning av syregrupper på ytan av filamentet. Dessa syregrupper förbereder fibrerna för den sista delen av karboniseringsprocessen: applicering av limningsbehandling. Limapplicering används för att främja vidhäftningen mellan fibrer och polymermatris i kompositmaterial. Detta optimerar den efterföljande bearbetningen av kolfiber.
Karakteristika för kolfiber
Lättviktsegenskaper
Kolfiber är mycket lätt eftersom atommassan av kolatomer är mycket låg. Dessutom resulterar den kemiska strukturen som består av grafitplan arrangerade i kristaller i ett större avstånd mellan kolatomer.
Mekanisk prestanda
Kolfiber är mycket stark och styv (hög modul). Kovalenta bindningar binder kolatomer i grafitplanet. Dessa kemiska bindningar är mycket stabila: på grund av de delade elektronerna mellan kolatomer krävs en stor mängd energi för att bryta kovalenta bindningar.
Strukturen av kolfiber spelar också en viktig roll i hållfastheten och motståndet hos material.
Därför har kolkompositmaterial oöverträffad draghållfasthet, modul och utmattningsbeständighet.
Termisk prestanda
Kolfiber är värmebeständigt. När den används vid höga driftstemperaturer kommer kolfiber inte att brytas ned eller expandera.
För att fullt ut utnyttja dess termiska egenskaper kombineras ibland kolfibrer med keramisk matris för att bilda keramiska matriskompositer (CMC). Därför kan kol betraktas som ett keramiskt material. Därför kan CMC fortfarande behålla sina kolegenskaper vid temperaturer över 2 grader C.
Konduktivitet och motstånd
Kolfiber har konduktivitet. Under elektrisk ström genererar kolfiber Joule-värme. På grund av sin ledningsförmåga och utmärkta värmebeständighet ger den en utmärkt uppvärmningslösning. Kolkompositmaterial kan också användas för att skydda elektroniska enheter från radio eller elektromagnetiska störningar. Därför fungerar kolkompositmaterial som Faraday-burar.
Röntgengenomsläpplighet
Kolfiber består av lättviktselement: 95 % kolatomer och 5 % kväve. Den absorberar väldigt få röntgenstrålar och är mycket lämplig för medicinsk bildbehandling.
Ej brandfarlig
Kolfiber har en extremt ordnad struktur som kan inducera många starka bindningar mellan kolatomer. Därför kan oxidationsreaktionen som genereras i en brand inte vara självförsörjande, vilket gör detta material icke brandfarligt.
Applicering av kolfiber
Kolfiber är lätt, hållbart och hållbart, vilket gör det till ett banbrytande material. Det används framför allt för att förbättra kompositmaterial. Används främst i:
Flygindustrin;
Sport- och fritidsindustrin (golfklubbor, fiskespön, cykelramar);
Bilindustri;
Marin industri;
väg- och vattenbyggnad;
Energibranschen.
Kolfiber används ofta för att minska vikten på fordon, flygplan och andra former av kollektivtrafik. Flygplan gjorda av kolkompositmaterial är 20 % lättare än flygplan gjorda av traditionella material. Att minska vikten med 20 % under ett flygplans hela livscykel kan minska koldioxidutsläppen med 2 ton.
Bilindustri: Hydrogen Energy Solutions
The battery life of hydrogen powered cars is now longer than that of battery powered cars (>500 kilometer). På grund av lagring av komprimerad vätgas i kolfibertrycktankar kan denna prestanda uppnås. På grund av dess unika prestanda är kolfiber det enda materialet som kan ge den nödvändiga styrkan, lättvikten och långtidsprestanda för dessa bränsletankar.
Kolpapper är också en lösning för att producera nyckelkomponenter i protonutbytesmembranbränsleceller: gasdiffusionsmembran.
Tillverkning av kolfiber
Kolfiber är gjord av polyakrylnitril (PAN) fibrer. Dessa PAN-fibrer erhålls genom polymerisation, spinning och sträckning av polymeren. De resulterande polymerkedjorna är inriktade längs filamentaxeln, vilket är avgörande för att uppnå egenskaperna hos kolfiber.
Sedan omvandlas PAN-fibrerna till kolfibrer genom en process som kallas förkolning. Det första steget är oxidation, vilket gör polyakrylnitrilfibrerna obrännbara. Oxidation sker mellan 200 till 300 grader. Under detta steg appliceras spänning på filamenten för att säkerställa att polymerkedjorna förblir korrekt inriktade.
I nästa steg, som kallas karbonisering, appliceras värme på fibrerna för att avlägsna icke-kolatomer och bara behålla kolatomerna. Vid ungefär 1 500 grader reagerar de oxiderade polyakrylnitrilfibrerna i en inert atmosfär för att bilda de karakteristiska grafitplanen av kolfibrer.
Kolfibrer kan genomgå en andra värmebehandling vid temperaturer över 2,000 grader. Under inverkan av värme omvandlas kolfibrernas kristallina struktur till kolfibrer med hög modul.
Sedan genomgår kolfibrer ytbehandling: kemisk elektrolytisk behandling. Detta möjliggör ympning av syregrupper på ytan av filamenten. Dessa syregrupper förbereder fibrerna för den sista delen av karboniseringsprocessen: applicering av limning. Limning används för att främja vidhäftning mellan fibrerna och polymermatrisen av kompositmaterial, vilket optimerar den efterföljande bearbetningen av kolfibrer.
Karakteristika för kolfiber
Lätta egenskaper
Kolfiber är mycket lätt på grund av den låga atommassan av kolatomer. Dessutom resulterar den kemiska strukturen som består av grafitplan arrangerade i kristaller i större avstånd mellan kolatomer.
Mekanisk prestanda
Kolfiber är extremt stark och styv (hög modul). Kovalenta bindningar håller ihop kolatomerna i grafitplanen. Dessa kemiska bindningar är mycket stabila: eftersom kolatomer delar elektroner, krävs en betydande mängd energi för att bryta de kovalenta bindningarna.
Kolfilamentens struktur spelar också en avgörande roll för materialets styrka och motståndskraft. Följaktligen har kolkompositer oöverträffad draghållfasthet, modul och utmattningsbeständighet.
Termiska egenskaper
Kolfiber är värmebeständigt. Den bryts inte ned eller expanderar när den används vid höga driftstemperaturer. För att fullt ut utnyttja dess termiska egenskaper kombineras ibland kolfibrer med keramiska matriser för att bilda keramiska matriskompositer (CMC). Därför kan kol betraktas som ett keramiskt material. Följaktligen behåller CMC:er kolegenskaper även vid temperaturer över 2,000 grader.
Elektrisk ledningsförmåga och motstånd
Kolfiber är elektriskt ledande. Under elektrisk ström genererar kolfiber Joule-värme. Tack vare sin ledningsförmåga och utmärkta värmebeständighet erbjuder den enastående värmelösningar. Kolkompositer kan också användas för att skydda elektroniska enheter från radio eller elektromagnetiska störningar, och fungerar därmed som en Faraday-bur.
Röntgengenomtränglighet
Kolfiber består av lättviktselement: 95 % kolatomer och 5 % kväve. Den absorberar väldigt få röntgenstrålar, vilket gör den idealisk för medicinsk bildbehandling.
Ej brandfarlighet
Kolfiber har en extremt ordnad struktur som inducerar många starka bindningar mellan kolatomer. Som ett resultat kan oxidationsreaktionerna som produceras i en brand inte upprätthålla sig själva, vilket ger detta material dess icke-antändliga egenskaper.
Tillämpningar av kolfiber
Kolfiber är lätt, hållbart och starkt, vilket gör det till ett banbrytande material. Det används framför allt för att förstärka kompositmaterial. Viktiga applikationer inkluderar:
- Flygindustrin
- Sport- och fritidsbranschen (golfklubbor, fiskespön, cykelramar)
– Fordonsindustrin
- Marin industri
- Anläggningsteknik
- Energiindustrin
Kolfiber används vanligtvis för att minska vikten på fordon, flygplan och andra former av kollektivtrafik. Ett flygplan med en flygkropp gjord av kolkompositer är 20 % lättare än ett flygplan tillverkat av traditionella material. Under flygplanets livstid kan en viktminskning på 20 % minska CO2-utsläppen med 2 ton.
Bilindustri: Hydrogen Solutions
Vätgasdrivna bilar har nu längre batteritid än elbilar (över 50 mil). Denna prestanda är möjlig tack vare lagring av komprimerat väte i kolfibertrycktankar. På grund av dess unika egenskaper är kolfiber det enda materialet som kan ge nödvändig styrka, lätthet och långsiktig prestanda för dessa tankar.
Kolpapper är också en lösning för att producera nyckelkomponenter i protonutbytesmembranbränsleceller: gasdiffusionsskikt.