Daudzas aizraujošas oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izmantošanas iespējas

 

Kas ir oglekļa šķiedras kompozītmateriāli?

Kompozītmateriāli sastāv no pastiprinošas šķiedras, kas iekapsulēta polimēru sveķos. Kompozītmateriālos tiek izmantoti vairāki sveķu sastāvi un šķiedru veidi, taču oglekļa šķiedra izceļas kā sastāvdaļa daudzos augstas veiktspējas izstrādājumos. Lietojumos, kur prioritāte ir svara samazināšanai, vienlaikus radot augstu izturību, oglekļa šķiedra ir stiegrojuma izvēle daudzās progresīvās kompozītmateriālu konstrukcijās.

 

Oglekļa šķiedra ir atrodama kompozītmateriālu konstrukcijās, kur stiprība un viegls svars ir priekšrocība; to var atrast augstākās klases-sporta automašīnās, sacīkšu automašīnās, augstas veiktspējas-laivās, lidmašīnās un kosmosa transportlīdzekļos, medicīnas aprīkojumā un sporta preču aprīkojumā, tostarp slēpēs, sniega dēļos, tenisa raketēs, golfa nūjās un simtiem citu produktu.

 

Pielietojums oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem pieaug straujāk nekā vispārējā ekonomika, jo palielinās nepieciešamība pēc vieglām progresīvām kompozītmateriālu konstrukcijām. Ekonomisti prognozē ievērojamu nozares iespēju pieaugumu, attīstoties tehnoloģijām un augot pielietojumam. Vai interesējaties par to, kā oglekļa šķiedras kompozītmateriāli rada augstas veiktspējas{2}}produktus, vai arī tas ietekmē enerģijas ietaupījumu,{3}}samazinot svaru? Uzziniet vairāk par oglekļa šķiedras izmantošanu un to, kā iesaistīties kompozītmateriālu tehnoloģiju nākotnē.

 

Kas ir oglekļa šķiedra?

Oglekļa šķiedra, kas pazīstama arī kā grafīta šķiedra, ir spēcīgs, viegls materiāls, kas izgatavots no simtiem atsevišķu oglekļa pavedienu, kas ir astoņas reizes plānāki nekā cilvēka mati. Kvēldiegi sastāv no oglekļa atomiem, kas savienoti kopā garās ķēdēs. Pēc svara oglekļa šķiedras kompozīts ir piecas reizes stiprāks par tēraudu un divreiz stingrāks, pateicoties tā augstajai stiepes izturībai.

Kā tiek ražota oglekļa šķiedra?

Oglekļa pavedieni sākas ar akrila{0}}plastmasu, kas pazīstama kā poliakrilnitrils (PAN). Daudzpakāpju process sākas ar poliakrilnitrila (PAN) šķiedru karsēšanu un savērpšanu pavedienos. Pēc tam šie pavedieni tiek uzkarsēti līdz vēl augstākai temperatūrai (apmēram 3000 F), tiek pakļauti oksidācijai un karbonizācijai, kas atdala ne-oglekļa elementus un izlīdzina oglekļa atomus cieši{7}}iesaiņotos kristālos. Iegūtās oglekļa šķiedras pēc tam tiek apstrādātas, tiek saliktas saišķos un ietītas spolēs. Šīs šķiedras pēc tam tiek sagrupētas lielākos saišķos, kas pazīstamas kā oglekļa "pakules", vai arī ieaustas audumos.

 

Kā tiek izmantota oglekļa šķiedra?

Oglekļa šķiedras pakulas vai audumi ir piesātināti ar polimēru sveķiem, piemēram, epoksīdu, un tiek veidoti veidnē. Sacietējušie sveķi iekapsulē oglekļa pavedienus un izveido stingru matricu vēlamajā produkta formā. Sveķu matricas (epoksīda) un stiegrojuma šķiedras (oglekļa) kombinācija rada kompozītmateriālu. Oglekļa šķiedras pastiprināto kompozītmateriālu raksturīgākās iezīmes ir viegls svars, stingrība un augsta stiepes izturība.

 

Oglekļa šķiedras rītausma

Oglekļa šķiedras vēsture aizsākās 19. gadsimta beigās, kad Tomass Edisons izmantoja oglekļa šķiedras kā pavedienus agrīniem spuldžu eksperimentiem. Tomēr tikai 1950. gados oglekļa šķiedras tika ražotas kā augstas -izturības materiāls.

Oglekļa šķiedru kā kompozītmateriālu sastāvdaļu sāka izmantot 1958. gadā. Dr. Rodžers Beikons no Union Carbide radīja izmantojamas oglekļa šķiedras, karsējot viskozes pavedienus līdz aptuveni 3000 grādiem F, līdz tie karbonizējās. Šis process bija mūsdienu oglekļa šķiedras ražošanas metodes priekštecis. 20. gadsimta 60. gados notika pirmā oglekļa šķiedru komerciālā ražošana, izmantojot Union Carbide izstrādāto procesu. Tika atzīts oglekļa šķiedru kā kompozītmateriāla stiegrojuma potenciāls, un Rolls Royce sāka tās iekļaut reaktīvo dzinēju sastāvdaļās.

Septiņdesmitajos gados aviācijas un kosmosa rūpniecība virzīja progresu kompozītmateriālu tehnoloģijā, un oglekļa šķiedras lietojumi kļuva labāk dokumentēti un pilnveidoti. Sacensību mērķis bija šīs tehnoloģijas pielietošana konstrukcijās, kurās bija svarīgi samazināt svaru un palielināt izturību. Tā kā neapstrādāta oglekļa šķiedra maksā vairāk nekā citi šķiedru pastiprinājumi, tā tika pielāgota kritiskiem lietojumiem, kur izmaksas bija sekundāras salīdzinājumā ar veiktspēju.

Astoņdesmitajos gados notika ievērojams oglekļa šķiedras kompozītmateriālu pieaugums, jo šie materiāli sāka nonākt sporta preču nozarē. Slēpes, snovbordi, tenisa raketes, golfa nūjas, makšķerēšanas nūjas un velosipēdu rāmji sāka izmantot oglekļa šķiedras komponentus to vieglo un -spēcīgo īpašību dēļ. Komerciālajā sektorā automobiļu, autosacīkšu un jūras rūpniecība sāka eksperimentēt ar oglekļa šķiedru, lai samazinātu transportlīdzekļa svaru un uzlabotu veiktspēju. Vienlaikus aviācijas un aizsardzības lietojumprogrammas pilnveidoja inženierzinātnes-, lai oglekļa šķiedras kompozītmateriālus izmantotu visaugstākās veiktspējas lietojumos.

Līdz 1990. gadiem oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izmantošana pieauga, jo ražotāji atrada veidus, kā samazināt izmaksas un uzlabot oglekļa šķiedru kvalitāti. Tas radīja plašāku pielietojumu, tostarp būvniecības un vēja enerģijas nozarēs.

Oglekļa šķiedra kā kompozītmateriālu pamatelements kļuva par galveno līdz 2000. gadiem. Šis materiāls vairs neaprobežojās ar augstākās klases-lietotnēm, bet tika izmantots dažādās nozarēs, sākot no plaša patēriņa elektronikas līdz infrastruktūrai. Nākamo divu desmitgažu laikā uzlaboti kompozītmateriāli tika izmantoti arvien populārākos{4}}profila lietojumos, piemēram, Boeing 787 un Airbus A350 lidmašīnās. Automobiļu rūpniecība ir pieņēmusi autosacīkšu -iedvesmotu kompozītmateriālu tehnoloģiju, un visu veidu augstākās klases{9}}laivās kā primārās struktūras tiek izmantoti oglekļa kompozītmateriāli. Inženiertehnisko rīku, piemēram, galīgo elementu analīzes un skaitļošanas šķidruma dinamikas, parādīšanās palielina šo kompozītmateriālu veiktspēju un pielietojumu.

 

Daži patiešām lieliski oglekļa šķiedras pielietojumi

Mūsdienās regulāri parādās pieteikumi oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem. Ja agrāk oglekļa šķiedra bija eksotiska un dārga, tagad jūs varat atrast oglekļa šķiedru daudzās nozarēs un produktos, piemēram:

 

Jūras

Oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir bijuši augstas veiktspējas{0}}sacīkšu kuģu pamatā jau vairākus gadu desmitus. America's Cup laivas ir piemēri tehnoloģiju izmantošanai līdz galam, jo ​​oglekļa šķiedras struktūras konkurē ar kosmosa būvniecību. Ražošanas laivas arvien vairāk integrē oglekļa šķiedru vakuuma infūzijas apstrādē, lai ražotu vieglāku un ātrāku kuģi.

 

Automašīna

Oglekļa šķiedra arvien vairāk tiek izmantota automašīnu ražošanā. Šos materiālus pirmo reizi izmantoja Formula 1 un un un Indy automašīnās, kas bija agrīni kosmosa tehnoloģiju ieviesēji. Pēc tam tas kļuva par eksotiskām augstākās klases sporta automašīnām{3}, un pašlaik tiek ražots sērijveida automobiļos. "Lightweighting" ir galvenais automobiļu dizaina mērķis, lai uzlabotu veiktspēju un samazinātu ietekmi uz vidi. NASCAR nesen pārgāja uz kompozītmateriālu korpusiem kausa sērijas automašīnām. Šīs jaunās virsbūves ir izrādījušās tik izturīgas, ka ir mainījušas sacīkšu stilu, jo automašīnas var paciest lielāku ļaunprātīgu izmantošanu.

 

Transports

Kravu pārvadājumu nozare gadu desmitiem ir izmantojusi kompozītmateriālus, lai uzlabotu aerodinamiku un degvielas ekonomiju. Ir gaidāma revolūcija smago kravas automašīnu konstrukcijā, kas ietvers ievērojami uzlabotu aerodinamiku un samazinātu svaru. Šo jauninājumu pamatā ir kompozītmateriālu komponenti un dizains, lai samazinātu aerodinamisko pretestību. Tiek lēsts, ka jauni dizaini, kas izgatavoti no gludām, vieglām kompozītmateriālu sastāvdaļām, var radīt degvielas ietaupījumu līdz pat 50 miljardiem USD gadā.

 

Lidmašīna, kosmosa un aizsardzība

Raugoties no komerciālo lidmašīnu, militāro lidmašīnu, nesējraķešu un orbitālo kosmosa kuģu spektra, oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ir arvien lielāka nozīme veiktspējas mērķu sasniegšanā. Šajās jomās kompozītmateriālu inženierija ir labi attīstīta, un regulāri tiek ziņots par notiekošajiem jauninājumiem. Milzīgs daudzums oglekļa šķiedras ir piešķirts klasificētiem militāriem un aizsardzības progresīvo tehnoloģiju projektiem. Komerciālajā arēnā desmitiem vertikālās pacelšanās-elektrisko lidmašīnu (VTOL) tikai tagad tiek sertificētas vai tiek izstrādātas. Visi šie jaunie gaisa kuģi izmanto oglekļa kompozītmateriālus kā primāro konstrukcijas materiālu.

 

Sporta preces

Oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir sastopami visā sporta preču pasaulē, pateicoties to izturībai un vieglajam svaram. Tas ietver: hokeja nūjas, tenisa raketes, loka šaušanas lokus, golfa nūjas un makšķerēšanas nūjas, slēpes, snovbordus, veikbordus, kaitbordus un folijas dēļus. Visi izmanto oglekļa šķiedru, kā arī airēšanas čaulas un velosipēdus.

 

Medicīna

Medicīnas joma ir vēl viena nozare, kurā oglekļa šķiedra pēdējos gados ir būtiski ietekmējusi. Oglekļa šķiedra ir caurspīdīga rentgena attēlos, kā rezultātā tā ir izmantota plašā rentgena un attēlveidošanas iekārtu klāstā. Oglekļa šķiedra tiek izmantota arī ekstremitāšu protēzēm, kas ir izturīgas, vieglas un ērti valkājamas un lietojamas.