Süsinikkiudkomposiitide palju põnevaid kasutusviise ja rakendusi

 

Mis on süsinikkiudkomposiidid?

Komposiitmaterjalid koosnevad tugevdavast kiust, mis on kapseldatud polümeervaiku. Komposiitmaterjalides kasutatakse mitmesuguseid vaigu koostisi ja kiudude tüüpe, kuid süsinikkiud paistab silma paljude suure jõudlusega toodete komponendina. Rakendustes, kus kaalu vähendamine ja kõrge tugevuse loomine on ülimuslik, on süsinikkiud paljude täiustatud komposiitstruktuuride tugevduseks.

 

Süsinikkiudu leidub komposiitstruktuurides, kus tugevus ja kerge kaal on eeliseks; seda võib leida tippklassi-sportautodest, võidusõiduautodest, suure jõudlusega-paatidest, lennukitest ja kosmosesõidukitest, meditsiiniseadmetest ja spordikaupade varustusest, sealhulgas suuskadest, lumelaudadest, tennisereketidest, golfikeppidest ja sadadest muudest toodetest.

 

Süsinikkiust komposiitide rakendused kasvavad kiiremini kui üldine majandus, kuna vajadus kergete täiustatud komposiitstruktuuride järele kasvab. Majandusteadlased ennustavad tööstuse võimaluste olulist suurenemist, kui tehnoloogia areneb ja rakendused kasvavad. Kas olete huvitatud sellest, kuidas süsinikkiust komposiitidest luuakse suure jõudlusega-tooteid või kuidas see aitab kaalu-vähendamisel energiasäästu? Lugege lisateavet süsinikkiu kasutusalade kohta ja kuidas komposiittehnoloogia tulevikus kaasa lüüa.

 

Mis on süsinikkiud?

Süsinikkiud, tuntud ka kui grafiitkiud, on tugev ja kerge materjal, mis on valmistatud sadadest üksikutest süsinikkiududest, mis on kaheksa korda õhemad kui juuksekarvad. Filamendid koosnevad süsinikuaatomitest, mis on omavahel seotud pikkade ahelatena. Kaalu järgi on süsinikkiust komposiit viis korda tugevam kui teras ja selle kõrge tõmbetugevuse tõttu kaks korda jäigem.

Kuidas süsinikkiust valmistatakse?

Süsinikfilamendid saavad alguse akrüül{0}}põhisest plastist, mida tuntakse polüakrüülnitriilina (PAN). Mitmeetapiline protsess algab polüakrüülnitriilkiudude (PAN) kuumutamise ja kedramisega filamentideks. Neid filamente kuumutatakse seejärel veelgi kõrgemale temperatuurile (umbes 3000 F), läbides oksüdatsiooni ja karboniseerumise, mis eemaldab mitte--süsiniku elemendid ja joondab süsinikuaatomid tihedalt-pakendatud kristallideks. Saadud süsinikkiud töödeldakse seejärel pinda, koondatakse kimpudeks ja mähitakse poolidesse. Seejärel rühmitatakse need kiud suuremateks kimpudeks, mida tuntakse süsiniku "köisikutena", või kootakse kangasteks.

 

Kuidas süsinikkiudu kasutatakse?

Süsinikkiust taku või kootud kangaste kiud küllastatakse polümeervaiguga, näiteks epoksiidiga, ja vormitakse vormiks. Kõvenenud vaik kapseldab süsinikkiud ja loob toote soovitud kujuga jäiga maatriksi. Vaigumaatriksi (epoksü) ja tugevduskiu (süsinik) kombinatsioon loob komposiitmaterjali. Süsinikkiuga tugevdatud komposiitide tunnusteks on kerge kaal, jäikus ja kõrge tõmbetugevus.

 

Süsinikkiu koidik

Süsinikkiu ajalugu ulatub 19. sajandi lõppu, mil Thomas Edison kasutas süsinikkiude hõõgniitidena varajastes lambipirnide katsetes. Kuid alles 1950. aastatel hakati süsinikkiude tootma ülitugeva materjalina.

Süsinikkiudu hakati kasutama komposiitkomponendina 1958. aastal. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, lõi töödeldavad süsinikkiud, kuumutades viskooskiude temperatuurini umbes 3000 kraadi F, kuni need karboniseerusid. See protsess oli kaasaegse süsinikkiu tootmismeetodi eelkäija. 1960. aastatel hakati Union Carbide'i väljatöötatud protsessi abil esimest korda kommertskiudu tootma. Süsinikkiudude potentsiaali komposiittugevdusena tunnistati ja Rolls Royce hakkas neid reaktiivmootori komponentidesse lisama.

1970. aastatel ajendas kosmosetööstus komposiittehnoloogia edusamme ning süsinikkiu rakendused said paremini dokumenteeritud ja viimistletud. Võistlus toimus selle tehnoloogia rakendamiseks konstruktsioonides, kus kaalu vähendamine ja tugevuse suurendamine olid olulised. Kuna toores süsinikkiud maksab rohkem kui muud kiudude tugevdused, kohandati see kriitilisteks rakendusteks, kus hind oli jõudlusest teisejärguline.

1980. aastatel toimus süsinikkiust komposiitide kasutuselevõtt märkimisväärne tõuge, kuna need materjalid hakkasid jõudma sporditarvete tööstusesse. Suuskad, lumelauad, tennisereketid, golfikepid, õngekepid ja jalgrattaraamid hakkasid sisaldama süsinikkiust komponente nende kergete ja tugevate -tugevusomaduste tõttu. Kaubandussektoris hakkasid auto-, moto- ja meretööstused katsetama süsinikkiuga, et vähendada sõidukite kaalu ja parandada jõudlust. Samal ajal arendasid kosmose- ja kaitserakendused inseneri oskusteavet{5}}süsinikkiudkomposiitide rakendamiseks kõrgeima jõudlusega rakendustes.

1990. aastateks kasvas süsinikkiust komposiitide kasutamine, kuna tootjad leidsid viise kulude vähendamiseks ja süsinikkiudude kvaliteedi parandamiseks. See tõi kaasa laiemad rakendused, sealhulgas ehitus- ja tuuleenergiasektoris.

Süsinikkiud komposiitmaterjalina muutus 2000. aastateks peavooluks. See materjal ei piirdunud enam tipptasemel-rakendustega, vaid seda kasutati paljudes tööstusharudes, alates tarbeelektroonikast kuni infrastruktuurini. Järgmise kahe aastakümne jooksul kasutati täiustatud komposiite üha kõrgema profiiliga-rakendustes, nagu Boeing 787 ja Airbus A350 lennukid. Autotööstus on võtnud kasutusele võidusõidu{8}}inspireeritud komposiittehnoloogia ja igat tüüpi kõrgekvaliteedilistes{9}paatides kasutatakse põhikonstruktsioonidena süsinikkomposiite. Tehniliste tööriistade, nagu lõplike elementide analüüs ja arvutuslik vedeliku dünaamika, tulek suurendab nende komposiitmaterjalide jõudlust ja rakendusi.

 

Mõned tõeliselt lahedad süsinikkiu rakendused

Tänapäeval ilmub regulaarselt rakendusi süsinikkiust komposiitide jaoks. Kui varem oli süsinikkiud eksootiline ja kallis, siis nüüd leiate süsinikkiudu paljudest tööstusharudest ja toodetest, näiteks:

 

Meremees

Süsinikkiust komposiidid on olnud suure jõudlusega{0}}võidusõidukite alustala juba mitu aastakümmet. America's Cupi paadid on näited tehnoloogia viimisest piirini – süsinikkiust struktuurid konkureerivad kosmoseehitusega. Tootmispaadid integreerivad süsinikkiudu üha enam vaakum-infusioonitöötlusse eesmärgiga toota kergemat ja kiiremat veesõidukit.

 

Autotööstus

Süsinikkiudu on autotootmises üha enam kasutusele võetud. Neid materjale kasutati esmakordselt vormel 1 ja Indy autodes, mis olid kosmosetehnoloogia varased kasutuselevõtjad. Seejärel jõudis see eksootiliste kõrgekvaliteediliste{3}sportautodeni ja on praegu jõudmas seeriaautode hulka. "Lightweighting" on autode disaini peamine eesmärk parandada jõudlust ja vähendada keskkonnamõju. NASCAR läks hiljuti üle karikasarja autode komposiitkerele. Need uued kered on osutunud nii tugevateks, et on muutnud võidusõidu stiili, sest autod taluvad suuremat väärkohtlemist.

 

Transport

Kaubaveotööstus on aerodünaamika ja kütusesäästu parandamiseks kasutanud komposiitkomponente aastakümneid. Raskeveokite disainis on ees ootamas revolutsioon, mis hõlmab oluliselt paremat aerodünaamikat ja väiksemat kaalu. Need uuendused põhinevad komposiitkomponentidel ja disainil, et vähendada aerodünaamilist takistust. Hinnanguliselt võivad õhukeste komposiitkomponentidega tehtud uued disainilahendused säästa kütust kuni 50 miljardi dollari võrra aastas.

 

Õhusõidukid, lennundus ja kaitse

Vaadates kogu spektrit kommertslennukitest, sõjalennukitest, kanderakettidest ja orbitaalkosmoselaevadest, on süsinikkiust komposiitidel jõudluseesmärkide saavutamisel üha olulisem roll. Komposiitmaterjalide tehnoloogia on neil areenidel hästi arenenud ja käimasolevatest uuendustest teatatakse regulaarselt. Suures koguses süsinikkiudu on eraldatud salastatud sõjaliste ja kaitsealaste kõrgtehnoloogia projektide jaoks. Kommertsvaldkonnas on kümned vertikaalse õhkutõusmisega-elektrilennukid (VTOL) alles sertifitseerimas või väljatöötamisel. Kõik need uued lennukid kasutavad peamise konstruktsioonimaterjalina süsinikkomposiite.

 

Spordikaubad

Süsinikkiust komposiite leidub kogu sporditarvete maailmas selle tugevuse ja kerge kaalu tõttu. Siia kuuluvad: hokikepid, tennisereketid, vibulaskmise vibud, golfikepid ja õngekepid, suusad, lumelauad, veelauad, lohelauad ja fooliumlauad. Kõik kasutavad süsinikkiudu koos sõudekarpide ja jalgratastega.

 

Ravim

Meditsiinivaldkond on veel üks tööstusharu, kus süsinikkiud on viimastel aastatel avaldanud märkimisväärset mõju. Süsinikkiud on röntgenipiltidel läbipaistev-, mistõttu on seda kasutatud paljudes röntgen- ja pildistamisseadmetes. Süsinikkiudu kasutatakse ka jäsemete proteesides, mis on tugevad, kerged ning mugavad kanda ja kasutada.