Kõik süsinikkiu ja selle valmistamise kohta

Seda nimetatakse ka grafiitkiuks või süsinikgrafiidiks, süsinikkiud koosneb süsiniku elemendi väga õhukestest ahelatest. Nendel kiududel on kõrge tõmbetugevus ja need on oma suuruse järgi eriti tugevad. Tegelikult on süsinikkiu üks vorm - süsiniknanotoru— Peetakse tugevaimaks saadaolevaks materjaliks. Süsinikkiud rakendused Siia hulka kuuluvad ehitus, inseneri-, kosmose-, kõrgtehnoloogilised sõidukid, spordivahendid ja muusikariistad. Energeetikas kasutatakse süsinikkiudu tuulikuterade tootmisel, maagaasi hoidlates ja transpordiks mõeldud kütuseelementide tootmisel. Lennundustööstuses on sellel rakendusi nii sõja- kui ka kommertslennukites, samuti mehitamata õhusõidukites. Nafta uurimiseks kasutatakse seda süvavee puurimisplatvormide ja torude tootmisel.

Kiired faktid: süsinikkiudude statistika

Süsinikkiud on valmistatud orgaanilistest polümeeridest, mis koosnevad pikkadest molekulide jadadest, mida hoiavad koos süsinikuaatomid. Enamik süsinikkiudu (umbes 90%) on valmistatud polüakrüülnitriili (PAN) protsessist. Väike kogus (umbes 10%) toodetakse rayonist või petrooleumi pigi protsessist.

Tootmisprotsessis kasutatavad gaasid, vedelikud ja muud materjalid loovad süsinikkiust spetsiifilise efekti, omadused ja klassid. Süsinikkiudude tootjad kasutavad nende toodetud materjalide jaoks valemi ja toormaterjalide kombinatsioone ning üldiselt käsitlevad nad neid konkreetseid valmistisi kui ärisaladusi.

Kõrgeima klassi süsinikkiud, millel on kõige tõhusam moodul (konstant või koefitsient, mida kasutatakse arvulise kraadi väljendamiseks) millistel ainetel on teatud omadus, näiteks elastsus), mida kasutatakse sellistes nõudlikes rakendustes nagu lennundus.

Süsinikkiu loomine hõlmab nii keemilisi kui ka mehaanilisi protsesse. Toorained, mida nimetatakse lähteaineteks, tõmmatakse pikkadesse kihtidesse ja kuumutatakse seejärel kõrge temperatuurini anaeroobses (hapnikuvabas) keskkonnas. Põlemise asemel põhjustab äärmine kuumus kiudude aatomite vibreerimist nii ägedalt, et peaaegu kõik süsinikuvabad aatomid väljutatakse.

Pärast karboniseerimisprotsessi lõppu koosneb järelejäänud kiud pikkadest tihedalt ühendatud süsinikuaatomite ahelatest, milles on vähe süsinikuaatomeid või üldse mitte. Seejärel kootud need kiud kangasse või kombineerituna teiste materjalidega, mis seejärel keritakse või valatakse soovitud kuju ja suurusega.

Süsinikkiu tootmiseks mõeldud PAN-protsessis on tüüpilised järgmised viis segmenti:

1. Ketrus. PAN segatakse teiste koostisosadega ja kedratakse kiududeks, mis seejärel pestakse ja venitatakse.
2. Stabiliseeriv. Kiud läbivad sidumise stabiliseerimiseks keemilisi muutusi.
3. Süsinik. Stabiliseeritud kiud kuumutatakse väga kõrge temperatuurini, moodustades tihedalt seotud süsiniku kristallid.
4. Pinna töötlemine. Kiudude pind oksüdeeritakse, et parandada sideme omadusi.
5. Suurus. Kiud kaetakse ja keritakse poolidele, mis laaditakse ketramismasinatele, mis keerutavad kiud erineva suurusega lõngadeks. Pigem kui oleks riideks kootud, kiududest saab ka vormida komposiit kiudude sidumiseks plastikpolümeeriga kuumuse, rõhu või vaakumi abil.

Süsiniknanotorud valmistatakse tavalisest süsinikkiust erineval viisil. Hinnanguliselt 20 korda tugevamad kui nende lähteained, sepistatakse nanotorusid ahjudes, milles kasutatakse süsinikuosakeste aurustamiseks lasereid.

Süsinikkiudude tootmisel on mitmeid väljakutseid, sealhulgas:

• Vajadus kulutõhusama taastamise ja parandamise järele
• Mõne rakenduse mittesäästlikud tootmiskulud: näiteks uue tehnoloogia väljatöötamise tõttu, liiga suured kulud, piirdub süsinikkiu kasutamine autotööstuses praegu suure jõudlusega ja luksusega sõidukid.
• Pinnatöötlusprotsessi tuleb hoolikalt reguleerida, et vältida šahtide moodustumist, mille tulemuseks on defektsed kiud.
• Ühtlase kvaliteedi tagamiseks on vaja hoolikat kontrolli
• Tervise ja ohutuse küsimused, sealhulgas naha ja hingamise ärritus
• Kaar ja lühised elektriseadmetes tänu süsinikkiudude tugevale elektrijuhtivusele

Kuna süsinikkiudutehnoloogia areneb edasi, mitmekesistuvad ja suurenevad võimalused süsinikkiudude kasvatamiseks. Massachusettsi tehnoloogiainstituudis näitavad mitmed süsinikkiule keskenduvad uuringud juba a palju lubadusi uue tootmistehnoloogia ja disaini loomiseks, et kohtuda areneva tööstusega nõudmine.

MITi mehaanikatehnika dotsent nanotorude pioneer John Hart on koos oma õpilastega teinud muudatusi tootmistehnoloogia, sealhulgas uute materjalide uurimine, mida kasutatakse koos kommertskvaliteediga 3D-printeritega. "Palusin neil rööbastelt täielikult mõelda; kui nad suudaksid välja mõelda 3D-printeri, mida pole kunagi varem tehtud, või kasuliku materjali, mida ei saa praeguste printerite abil printida, "selgitas Hart.

Tulemuseks olid prototüüpmasinad, mis trükisid sulaklaasi, pehme serveerimisega jäätist ja süsinikkiust valmistatud komposiite. Harti sõnul lõid tudengimeeskonnad ka masinaid, mis saaksid hakkama polümeeride suure ala paralleelse väljapressimisega ja teostada trükiprotsessi „in situ optilist skaneerimist”.

Lisaks töötas Hart MIT-i keemia dotsendi Mircea Dinca juures hiljuti sõlmitud kolmeaastases koostöös Automobili Lamborghini uurida uute süsinikkiudude ja komposiitmaterjalide võimalusi, mis võiksid ühel päeval mitte ainult "võimaldada kogu auto kere kasutamist aku süsteem ", kuid viivad" kergemate, tugevamate kehade, tõhusamate katalüüsmuundurite, õhema värvi ja parema jõuülekande soojusülekandeni [üldiselt] ".

Selliste silmapaistvate läbimurretega silmapiiril pole ime, et süsinikkiudude turu kasvu prognoositakse 4,7 dollarilt. miljardi summaga 2019. aastal 13,3 miljardi dollarini 2029. aastaks, aastane aastane kasvutempo (CAGR) on 11,0% (või pisut kõrgem) samal perioodil. aeg.

• McConnell, Vicki. "Süsinikkiu valmistamine." CompositeWorld. 19. detsember 2008
• Sherman, Don. "Lisaks süsinikkiust: järgmine läbimurre on 20 korda tugevam." Auto ja juht. 18. märts 2015
• Randall, Danielle. “MIT-i teadlased teevad tuleviku elektriauto väljatöötamiseks koostööd Lamborghiniga. ” MITMECHE / Uudistes: keemiaosakond. 16. november 2017
• "Süsinikkiu turg tooraine järgi (PAN, pigi, piirkond), kiu tüüp (neitsi, ümbertöödeldud), tootetüüp, moodul, rakendus (Komposiit, mitte komposiit), lõpptarbimistööstus (arendus- ja arendustegevus, autotööstus, tuuleenergia) ja piirkond - globaalne prognoos aastani 2029. " MarketsandMarkets ™. September 2019