Uhlíkové vlákno je materiál skládající se z tenkých vláken o průměru 5 až 10 mikronů , tvořených převážně atomy uhlíku . Atomy uhlíku jsou spojeny do mikroskopických krystalů zarovnaných paralelně k sobě; zarovnání krystalů dává vláknu větší pevnost v tahu. Uhlíková vlákna se vyznačují vysokou pevností v tahu, nízkou měrnou hmotností , nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a chemickou inertností.
Poprvé byla výroba a použití uhlíkových vláken navržena a patentována v roce 1880 americkým vynálezcem Edisonem pro žhavicí vlákna v elektrických lampách . Tato vlákna byla získána pyrolýzou bavlněných nebo viskózových vláken a vyznačovala se vysokou porézností a křehkostí.
Sekundární zájem o uhlíková vlákna přišel, když se hledaly materiály vhodné pro použití jako komponenty pro výrobu raketových motorů . Uhlíková vlákna se z hlediska svých kvalit ukázala jako jeden z nejvhodnějších výztužných materiálů pro tuto roli, protože mají vysokou tepelnou stabilitu, dobré tepelně izolační vlastnosti, odolnost proti korozi vůči plynným a kapalným médiím, vysokou měrnou pevnost a tuhost.
V roce 1958 byla v USA získána uhlíková vlákna na bázi viskózových vláken . Při výrobě uhlíkových vláken nové generace byla použita postupná vysokoteplotní úprava vláken hydratované celulózy (GTZ) (900 °C, 2500 °C), která umožnila dosáhnout hodnot pevnosti v tahu 330–1030 M Pa . a modul pružnosti 40 GPa . O něco později (v roce 1960) byla navržena technologie výroby krátkých monokrystalických vláken ("whiskerů") z grafitu o pevnosti 20 GPa a modulu pružnosti 690 GPa. Whiskery byly pěstovány v elektrickém oblouku při teplotě 3600 °C a tlaku 0,27 MPa (2,7 atm). Zdokonalování této technologie bylo v průběhu let věnováno mnoho času a pozornosti, ale nyní se používá jen zřídka kvůli její vysoké ceně ve srovnání s jinými metodami výroby uhlíkových vláken.
Téměř ve stejnou dobu v SSSR a o něco později, v roce 1961, v Japonsku , byla získána uhlíková vlákna na bázi polyakrylonitrilových (PAN) vláken. Vlastnosti prvních uhlíkových vláken na bázi PAN nebyly vysoké, ale technologie byla postupně zdokonalována a po 10 letech (do roku 1970) byla získána uhlíková vlákna na bázi vláken PAN s pevností v tahu 2070 MPa a modulem pružnosti 480 GPa. . Zároveň se ukázala možnost získat touto technologií uhlíková vlákna s ještě vyššími mechanickými charakteristikami: modul pružnosti až 800 GPa a pevnost v tahu více než 3 GPa. HC na bázi ropných smol byly získány v roce 1970 také v Japonsku.
Chen a Chun[ kdo? ] zkoumal vliv uhlíkových vláken s přídavkem oxidu křemičitého na smršťování betonu při vysychání a došel k závěru, že objemový poměr uhlíkových vláken ve výši 0,19 % (při průměrné délce vlákna 5 mm a průměru 10 μm) s mikrosilikou poměr 15 % hm. cementu, způsobil pokles smrštění vysycháním až o 84 %. Vědci zjistili, že použití uhlíkových vláken s mikrosilika může zlepšit vlastnosti, jako je pevnost v tlaku a chemická odolnost [1] .
Alhadisi Abdul Kadeer a další zkoumali vliv přísad z uhlíkových vláken na mechanické vlastnosti lehkého betonu . Vláknina byla přidána v poměru 0,5 %, 0,1 %, 1,5 % objemových. Všechny kompozice se vyznačovaly zvýšenou pevností v tlaku a tahu a také odolností v ohybu asi 30 %, 58 % a 35 % ve srovnání s referenční směsí [2] .
CF se obvykle získává tepelným zpracováním chemických nebo přírodních organických vláken, při kterých ve vláknitém materiálu zůstávají hlavně atomy uhlíku. Toto zpracování se skládá z několika kroků. Prvním z nich je oxidace původního ( polyakrylonitrilového , viskózového ) vlákna na vzduchu při teplotě 250 °C po dobu 24 hodin. Oxidace má za následek tvorbu žebříkových struktur znázorněných na Obr. jeden.[ upřesnit ] Po oxidaci následuje fáze karbonizace - zahřívání vlákna v dusíku nebo argonu při teplotách od 800 do 1500 °C. V důsledku karbonizace vznikají struktury podobné grafitu. Proces tepelného zpracování končí grafitizací při teplotě 1600-3000 °C, která rovněž probíhá v inertním prostředí. V důsledku grafitizace se množství uhlíku ve vláknu dostane na 99 %. K výrobě uhlovodíků lze kromě běžných organických vláken (nejčastěji viskózy a polyakrylonitrilu) použít speciální vlákna z fenolových pryskyřic, ligninu, uhelných a ropných smol .
Uhlíková vlákna mohou být vyráběna v různých formách: sekaná (řezaná, krátká) vlákna , nekonečná vlákna, tkané a netkané materiály. Nejběžnějšími typy výrobků jsou koudele, příze , roving , netkaná plátna. Výroba všech druhů textilních výrobků probíhá stejně jako u jiných druhů vláken konvenčními technologiemi. Typ textilního výrobku je určen zamýšleným použitím uhlovodíků v kompozitním materiálu, stejně jako způsob získání samotného kompozitu.
Hlavní způsoby získávání kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny jsou společné pro vláknité materiály: kladení, vstřikování , pultruze a další. V současné době se vyrábí řada druhů uhlovodíků a uhlovodíků, z nichž hlavní jsou uvedeny níže.
CF mají výjimečně vysokou tepelnou odolnost : při tepelné expozici do 1600-2000 °C v nepřítomnosti kyslíku se mechanické vlastnosti vlákna nemění. To předurčuje možnost použití uhlovodíků jako tepelných štítů a tepelně izolačního materiálu ve vysokoteplotní technice. Kompozity uhlík-uhlík jsou vyráběny na bázi uhlovodíků , které se vyznačují vysokou ablační odolností.
Uhlovodíky jsou odolné vůči agresivnímu chemickému prostředí, při zahřívání v přítomnosti kyslíku však oxidují . Jejich maximální provozní teplota na vzduchu je 300-370 °C. Nanesení tenké vrstvy karbidů, zejména SiC nebo nitridu boru , na uhlovodíky umožňuje do značné míry odstranit tento nedostatek. Pro svou vysokou chemickou odolnost se uhlovodíky používají k filtraci agresivních médií, čištění plynů, výrobě ochranných obleků atd.
Změnou podmínek tepelného zpracování je možné získat uhlovodíky s různými elektrofyzikálními vlastnostmi ( objemový elektrický odpor od 2⋅10 −3 do 106 Ohm /cm) a použít je jako elektrická topná tělesa různých účelů , pro výrobu termočlánků . , atd.
Aktivací uhlovodíků vznikají materiály s velkým aktivním povrchem (300-1500 m²/g), které jsou vynikajícími sorbenty . Aplikace katalyzátorů na vlákno umožňuje vytvářet katalytické systémy s rozvinutým povrchem.
Typicky mají CF pevnost v řádu 0,5–1 GPa a modul 20–70 GPa, zatímco ty vystavené orientačnímu tažení mají pevnost 2,5–3,5 GPa (pro jakou tloušťku vlákna?) a modul 200– 450 GPa. Díky nízké hustotě (1,7–1,9 g/cm³) z hlediska měrné hodnoty (poměr pevnosti a modulu k hustotě) mechanických vlastností předčí nejlepší uhlovodíky všechny známé tepelně odolné vláknité materiály. Specifická pevnost CF je nižší než specifická pevnost skleněných vláken a aramidových vláken . Strukturální uhlíkové plasty se získávají na bázi vysokopevnostních a vysokomodulových uhlovodíků pomocí polymerních pojiv . Byly vyvinuty kompozitní materiály na bázi uhlovodíků a keramických pojiv, uhlovodíků a uhlíkové matrice, jakož i uhlovodíků a kovů, které snesou větší teplotní vlivy než běžné plasty .
HC se používá k vyztužení kompozitních, tepelně stínících, chemicky odolných a dalších materiálů jako plniva v různých typech plastů vyztužených uhlíkovými vlákny . Nejrozsáhlejším trhem pro uhlovodíky je v současnosti výroba primárních a sekundárních konstrukcí v letadlech různých výrobců, včetně společností jako Boeing a Airbus (až 30 tun na produkt). Vzhledem k prudce zvýšené poptávce v letech 2004-2006. na trhu byl velký nedostatek vlákniny, což vedlo k jejímu prudkému zdražení.
Z uhlovodíků se vyrábí elektrody , termočlánky , obrazovky pohlcující elektromagnetické záření, výrobky pro elektrotechniku a radiotechniku . Na bázi HC se získávají pevná a flexibilní elektrická topidla, včetně tzv. oblíbených topidel. "Uhlíkové ohřívače", které ohřívají oblečení a boty. Uhlíková plsť je jedinou možnou tepelnou izolací ve vakuových pecích pracujících při teplotách 1100 °C a vyšších. Díky chemické inertnosti se materiály z uhlíkových vláken používají jako filtrační vrstvy pro čištění agresivních kapalin a plynů od rozptýlených nečistot, dále těsnění a ucpávky. Iontoměniče UVA a uhlíkových vláken se používají k čištění vzduchu, procesních plynů a kapalin, extrakci z posledních cenných komponentů ak výrobě osobních ochranných prostředků dýchacích cest.
UVA (zejména aktylen ) je široce používán v lékařství pro čištění krve a jiných biologických tekutin. Ve speciálních ubrouscích pro ošetření hnisavých ran, popálenin a diabetických vředů je nepostradatelná látka AUT-M, vyvinutá na počátku 80. let a testovaná během bojových operací v Afghánistánu [3] . Jako droga se používá při otravách (kvůli vysoké schopnosti absorbovat jedy (například Belosorb nebo AUT-MI na bázi sorbentu Svetlogorsk ), jako nosiče léčivých a biologicky aktivních látek .
Katalyzátory HC se používají při vysokoteplotních procesech anorganické a organické syntézy a také k oxidaci nečistot obsažených v plynech (CO na CO 2 , SO 2 na SO 3 atd.). Je široce používán při výrobě dílů karoserie v motorsportu, stejně jako při výrobě sportovního vybavení (hole, vesla, lyže, rámy a komponenty jízdních kol, boty) atd.
Uhlíkové vlákno se ve stavebnictví používá v různých systémech vnější výztuže (EAS) - s jeho pomocí se vyztužují železobetonové, kovové, kamenné a dřevěné konstrukční prvky budov a konstrukcí za účelem eliminace následků destrukce materiálu a koroze výztuže jako v důsledku dlouhodobého vystavení přírodním faktorům a agresivnímu prostředí během provozu a také kvůli seismickému zesílení . Podstatou této metody je zvýšení pevnosti prvků vnímajících zatížení při provozu budov a konstrukcí pomocí uhlíkových tkanin, lamel a mřížek. Vyztužení stavebních konstrukcí uhlíkovými vlákny zvyšuje únosnost bez změny konstrukčního schématu objektu.
| Textilní vlákna | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Přírodní (přírodní) |
| ||||||
| Chemikálie |
| ||||||