Czym są włókna węglowe?
Włókna węglowe to grafitowe, długołańcuchowe jednostki węglowe o strukturze sieciowej. Długołańcuchowe sieciowe jednostki węgla powstają w wyniku właściwości katenacyjnych atomów węgla, tj. wiązania atomów podobnego pierwiastka.
Thomasowi Elvie Edisonowi przypisuje się stworzenie pierwszego włókna węglowego do testowania włókna elektrycznego żarówki przy użyciu naturalnej bawełny.
Prekursory to surowce wykorzystywane do produkcji włókien węglowych.
Jak powstaje włókno węglowe?
Większość włókien węglowych wytwarzana jest w procesie zwanym poliakrylonitrylem lub PAN. W tym procesie arkusz włókien jest poddawany działaniu tak wysokiej temperatury, że spala się prawie wszystko oprócz samego węgla.
Etapy produkcji normalnych włókien węglowych:
1: Polimeryzacja: Aby wytworzyć polimer długołańcuchowy, prekursor jest polimeryzowany.
2: Przędzenie: Następnie polimer jest przędziony w długie włókna. Powszechnie stosuje się procedury chemiczne i mechaniczne.
3: Utlenianie: Włókno jest stabilizowane poprzez ogrzewanie go w powietrzu. Pochłania tlen z powietrza i podlega wyrafinowanemu procesowi przegrupowania atomowego w celu stabilizacji włókna.
4: Karbonizacja: W przypadku braku tlenu, obróbka wysokotemperaturowa utlenionego i stabilizowanego włókna pomaga w utracie atomów innych niż węgiel, w wyniku czego powstaje ciasno upakowane włókno węglowe.
5: Obróbka powierzchniowa: Włókna karbonizowane mają słabą zdolność wiązania, co utrudnia im łączenie się z żywicami epoksydowymi w celu wytworzenia kompozytu. Aby uzyskać tę zdolność wiązania, powierzchnię poddaje się działaniu odpowiednich środków chemicznych.
6: Klejenie: W celu ochrony włókna są pokryte żywicą epoksydową, nylonem, poliestrem i innymi materiałami. Nazywa się to wymiarowaniem.
Surowy arkusz włókna węglowego jest następnie łączony z innymi metalami (co jest ważne dla zrozumienia przewodności włókna węglowego), a powstały związek poddaje się obróbce i sortowaniu za pomocą procesów chemicznych.
Proces jest dogłębny i dlatego kosztowny.
POWIĄZANE: 5 zabawnych zastosowań arkuszy z włókna węglowego
Czy włókno węglowe samo w sobie jest przewodzące?
Nie, włókno węglowe nie jest zbyt przewodzące, jeśli nie jest połączone z niczym innym, ani pod względem przewodności cieplnej, ani elektrycznej.
Jeśli chodzi o przewodność cieplną (zdolność przewodzenia ciepła), włókno węglowe wypada przeciętnie. Stosunkowo wysokiej jakości włókno węglowe ma mniej więcej taką samą przewodność cieplną jak krzem, a nawet najwyższej klasy włókno węglowe ma mniejszą przewodność niż aluminium.
Zwykłe stare włókno węglowe jest nieco lepsze, jeśli chodzi o przewodzenie prądu, chociaż nadal nie jest tak przewodzące jak większość metali. Kiedy jest ono używane jako przewodnik elektryczny, najlepiej modyfikować włókno węglowe, splatając je z innymi metalami lub tworząc bardziej przewodzący elektrycznie alotrop węgla, taki jak diament lub grafit.
Jak możemy sprawić, że włókno węglowe będzie bardziej przewodzące?
Aby zwiększyć przewodność elektryczną, po odizolowaniu włókno węglowe należy poddać obróbce innymi materiałami. Najlepszymi związkami do łączenia z włóknem węglowym w celu zwiększenia przewodności są lateks w celu zapewnienia przewodności jonowej (w cieczy) i pył krzemionkowy w celu zapewnienia przewodności elektronowej (w ciele stałym).
Istnieją alotropy węgla, które przewodzą ciepło znacznie lepiej niż włókno węglowe. -- W szczególności diament przewodzi ciepło nawet 100 razy skuteczniej niż zwykłe włókno węglowe. Tworzenie tych alotropów nie jest łatwe, ale istnieją procesy obejmujące ciśnienie, ciepło i inne reakcje chemiczne, które umożliwiają te transformacje. Jeśli włókno węglowe zostanie poddane obróbce tymi alotropami węgla, gdy są już gotowe, przewodność cieplna włókna węglowego może wzrosnąć wielokrotnie.
Czy włókno węglowe przewodzi? Nie tyle w stanie podstawowym, ale przy odrobinie nauki można to łatwo zmienić.
POWIĄZANE: Do czego służy folia z włókna węglowego?
Czy włókno węglowe przewodzi w porównaniu z metalem?
Nie sam, nie. Jednak po obróbce innymi metalami tak jest.
Samo w sobie włókno węglowe nie jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego w porównaniu z metalem. W rzeczywistości większość metali przewodzi prąd około 1000x lepiej niż zwykłe włókno węglowe. Nawet po obróbce innymi materiałami włókno węglowe nadal nie jest tak dobre jak metal, jeśli chodzi o przewodzenie prądu. Metale takie jak srebro, aluminium i miedź szczególnie dobrze przewodzą prąd, wciąż około 100 razy szybciej niż włókno węglowe poddane obróbce dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.
Przewodzenie energii cieplnej to inna historia. Dobrze wykonane i właściwie obrobione włókno węglowe w rzeczywistości lepiej przewodzi ciepło niż metal o wysokiej przewodności, taki jak miedź.
Jakie są zastosowania przewodzącego włókna węglowego?
Obrobione włókno węglowe jest stosowane w luksusowych przedmiotach, takich jak kaski i bagaże, które są lekkie i trwałe. Jednak przewodność włókna węglowego sprawdza się w zastosowaniach bardziej przemysłowych, takich jak bocznice kontenerowe w projektach inżynieryjnych i lotniczych.
Nauka wciąż pracuje nad poprawą przewodności elektrycznej włókna węglowego. Ze względu na wyjątkową trwałość, odporność na ciepło, lekkość i niewielkie rozmiary w porównaniu z drutami metalowymi, oczekuje się, że produkty z włókna węglowego będą w przyszłości znacznie częściej wykorzystywane jako przewodniki.
Włókno węglowe ma wiele niesamowitych właściwości. Jedną z nich są jego niesamowite właściwości jako przewodnika ciepła lub prądu elektrycznego w połączeniu z innymi kompozytami metalowymi.
