Süsinikkiu ajalugu ja areng
Süsinikkiud on materjal, mis on muutnud revolutsiooni paljudes tööstusharudes, alates lennundusest kuni spordini. Selle ainulaadne kombinatsioon suurest tugevusest, väikesest kaalust ja vastupidavusest on teinud sellest eriti atraktiivse võimaluse rakendustes, mis nõuavad suure jõudlusega materjale. Aga kuidas me siia sattusime? Sukeldume süsinikkiu ajalukku.
Süsinikkiu varajased päevad
Süsinikkiu lugu algab{0}}sajandi keskpaigas süsinikkiudude avastamisest. 1879. aastal leiutas Thomas Edison esimese kaubanduslikult praktilise hõõglambi, mis kasutas hõõgniidina süsinikkiude. Järgmise paarikümne aasta jooksul muutuvad süsinikkiud populaarseks valikuks mitmesuguste elektriseadmete jaoks, alates raadiotest kuni teleriteni.
Järgmine suurem areng süsinikkiu ajaloos toimus 1950. aastatel, kui teadlased hakkasid katsetama süsinikuga tugevdatud plastidega. Idee oli luua materjal, millel oleks metallile omane tugevus ja jäikus, kuid millel oleks plastiku väike kaal ja korrosioonikindlus. See oli eriti oluline kosmosealaste rakenduste jaoks, kuna kaal on lennukite projekteerimisel suur probleem.
Üks süsinikkiu varajastest teerajajatest oli Briti keemik Sir Hugh Anderson. 1950. aastate lõpus töötas Anderson välja süsinikkiudude loomise protsessi, mis hõlmas rayonkiudude kuumutamist ülikõrgete temperatuurideni. Idee oli luua materjal, mis sarnaneks struktuurilt grafiidiga, mis on tuntud oma suure tugevuse ja väikese kaalu poolest.
Andersoni protsess oli suhteliselt lihtne: ta kuumutas rayonkiud hapniku puudumisel umbes 1000-1 500 kraadini Celsiuse järgi, põhjustades kiudude lagunemise süsinikuaatomiteks. Saadud "karboniseeritud" kiude töödeldi seejärel kõrge temperatuuriga gaasiga, et veelgi parandada nende tugevust ja vastupidavust.
Süsinikkiu varajased rakendused
Süsinikkiudu peeti algselt materjaliks, millel on suur potentsiaal kasutada kosmosetööstuses. Süsinikkiu kõrge tugevus ja väike kaal muutsid selle ideaalseks võimaluseks konstruktsioonide jaoks, mis pidid olema kerged, kuid tugevad, nagu lennuki kere ja tiivad.
1960. aastate alguses hakkasid USA õhujõud rahastama süsinikkiu uurimist ja 1963. aastal tegi esimene süsinikkiust lennuk – McDonnell Douglas F-4 Phantom II – oma esmalennu. F-4 oli varustatud sabaosa süsinikkiust komponentidega, mis aitas vähendada lennuki kaalu umbes 20 protsenti.
Järgmise paari aasta jooksul hakkas süsinikkiud leidma teed muudesse kosmosetööstuse rakendustesse, sealhulgas satelliitide, rakettide ja rakettide jaoks. 1965. aastal kasutas NASA süsinikkiuga tugevdatud plasti, et ehitada Scout-rakette, mida kasutati teadusliku koorma orbiidile saatmiseks.
Süsinikkiudtehnoloogia edusammud
Nõudluse kasvades süsinikkiu järele kasvas ka vajadus luua paremaid ja tõhusamaid protsesse materjali tootmiseks. 1970. aastate alguses töötati välja mitmeid uusi protsesse, mis võimaldasid süsinikkiudu kiiremini ja järjepidevamalt toota.
Üks peamisi edusamme oli süsinikkiudude valmistamise "pigi" protsess. Selle asemel, et alustada viskoosist, mis oli sel ajal kõige levinum materjal süsinikkiu tootmiseks, avastasid teadlased, et naftatööstuse kõrvalsaadust, mida nimetatakse pigiks, on võimalik toota süsinikkiudu. Pigi on paks tõrvajas aine, mis tekib toornafta rafineerimisel ja sisaldab suures koguses süsinikku.
Pigiprotsess hõlmab pigi kuumutamist umbes 1500 kraadini Celsiuse järgi hapniku puudumisel, põhjustades selle lagunemise süsinikuaatomiteks. Seejärel töödeldakse saadud kiude kõrge temperatuuriga gaasiga, et veelgi parandada nende tugevust ja vastupidavust.
Pigiprotsess on tänapäeval endiselt kõige levinum süsinikkiu valmistamise meetod, kuigi tehnoloogias on selle loomisest saadik tehtud palju edusamme. Näiteks on teadlased välja töötanud uued meetodid süsinikkiudude suuruse ja kuju kontrollimiseks, millel võib olla suur mõju nende tugevusele ja jäikusele.
Süsinikkiu rakendused tänapäeval
Tänapäeval võib süsinikkiudu leida paljudes rakendustes, alates suure jõudlusega autodest kuni spordivarustuseni. Autotööstuses kasutatakse süsinikkiudu kergete kerepaneelide loomiseks, mis võib aidata parandada kütusesäästlikkust ja jõudlust. Spordimaailmas kasutatakse süsinikkiust kõike alates tennisereketist kuni võidusõiduratasteni.
Süsinikkiudu kasutatakse laialdaselt ka kosmosetööstuses, kus sellest valmistatakse kõike alates kommertslennukitest kuni kosmosesõidukiteni. Tegelikult on Boeing 787 Dreamliner esimene kommertslennuk, millel on süsinikkiust komposiitkere.
Süsinikkiu üks põnevamaid rakendusi on meditsiinivaldkonnas. Teadlased uurivad süsinikkiu kasutamist luude ja kudede asendusmaterjalina, samuti siirdatavate meditsiiniseadmete jaoks.
Viimased Mõtted
Süsinikkiud on materjal, mis on oma algusaegadest 1950. aastatel kaugele jõudnud. Kergete ja ülitugevate materjalide loomise uudsest kontseptsioonist on sellest saanud oluline osa paljudes tööstusharudes üle maailma. Kuna tehnoloogia areneb, on tõenäoline, et järgmistel aastatel näeme süsinikkiule veelgi põnevamaid rakendusi.
