Co jsou uhlíková vlákna?
Uhlíková vlákna jsou uhlíkové jednotky s dlouhým řetězcem podobné grafitu, které mají síťovanou strukturu. Síťové jednotky uhlíku s dlouhým řetězcem se vyskytují v důsledku katenační vlastnosti atomů uhlíku, tj. spojení atomů podobného prvku.
Thomas Elva Edison je připisován vytvoření prvního uhlíkového vlákna pro testování elektrického vlákna žárovky za použití přírodní bavlny.
Prekurzory jsou základní prvky používané při výrobě uhlíkových vláken.
Jak se vyrábí uhlíkové vlákno?
Většina uhlíkových vláken je vyrobena procesem nazývaným polyakrylonitril nebo PAN. Při tomto procesu je vláknitý list vystaven tak vysokému teplu, že se spálí téměř vše kromě samotného uhlíku.
Kroky k výrobě normálních uhlíkových vláken:
1: Polymerizace: K výrobě polymeru s dlouhým řetězcem se prekurzor polymeruje.
2: Spinning: Poté se polymer spřádá do dlouhých vláken. Běžně se používají chemické a mechanické postupy.
3: Oxidace: Vlákno se stabilizuje zahříváním na vzduchu. Absorbuje kyslík ze vzduchu a prochází sofistikovaným procesem atomového přeskupení, aby se vlákno stabilizovalo.
4: Karbonizace: V nepřítomnosti kyslíku napomáhá vysokoteplotní úprava oxidovaného a stabilizovaného vlákna ke ztrátě neuhlíkových atomů, což vede k těsně sbalenému uhlíkovému vláknu.
5: Povrchová úprava: Karbonizovaná vlákna mají špatné pojivové schopnosti, což ztěžuje jejich spojení s epoxidovými pryskyřicemi za účelem vytvoření kompozitu. Pro získání této vazebné schopnosti je povrch ošetřen vhodnými chemikáliemi.
6: Velikost: Pro ochranu jsou vlákna potažena epoxidem, nylonem, polyesterem a dalšími materiály. To se nazývá dimenzování.
Surový plech z uhlíkových vláken se poté spojí s dalšími kovy (důležitá součást porozumění vodivosti uhlíkových vláken) a výsledná sloučenina se upraví a upraví pomocí chemických procesů.
Proces je hloubkový, a proto drahý.
SOUVISEJÍCÍ: 5 zábavných použití desek z uhlíkových vláken
Je uhlíkové vlákno samo o sobě vodivé?
Ne, uhlíkové vlákno není příliš vodivé, když není kombinováno s ničím jiným, a to ani z hlediska tepelné ani elektrické vodivosti.
Pokud jde o tepelnou vodivost (schopnost vést teplo), uhlíkové vlákno je průměrné. Relativně kvalitní uhlíkové vlákno má asi stejnou tepelnou vodivost jako křemík a dokonce i špičkové uhlíkové vlákno má menší vodivost než hliník.
Obyčejné staré uhlíkové vlákno je o něco lepší, pokud jde o elektrické vedení, i když stále není tak vodivé jako většina kovů. Když se používá jako elektrický vodič, je nejlepší upravit uhlíkové vlákno jeho propletením s jinými kovy nebo vytvořením elektricky vodivějšího uhlíkového allotropu, jako je diamant nebo grafit.
Jak můžeme udělat uhlíkové vlákno vodivější?
Pro zvýšení elektrické vodivosti by mělo být uhlíkové vlákno po izolaci ošetřeno jinými materiály. Nejlepší sloučeniny, které lze kombinovat s uhlíkovými vlákny za účelem zvýšení vodivosti, jsou latex pro iontovou vodivost (přes kapalinu) a křemičitý úlet pro elektronickou vodivost (přes pevnou látku).
Existují uhlíkové allotropy, které vedou teplo mnohem lépe než uhlíkové vlákno -- diamant, konkrétně vede teplo až 100x účinněji než obyčejné uhlíkové vlákno. Vytvoření těchto alotropů není zdaleka snadné, ale existují procesy zahrnující tlak, teplo a další chemické reakce, které transformace umožňují. Pokud je uhlíkové vlákno ošetřeno těmito uhlíkovými allotropy, když jsou připraveny, může se tepelná vodivost uhlíkového vlákna mnohonásobně zvýšit.
Je tedy uhlíkové vlákno vodivé? Ne tak v základním stavu, ale to se může s trochou vědy snadno změnit.
SOUVISEJÍCÍ: K čemu se používá zábal z uhlíkových vláken?
Je uhlíkové vlákno vodivé ve srovnání s kovem?
Ne sama o sobě, ne. Při ošetření jinými kovy však ano.
Uhlíkové vlákno samo o sobě není ve srovnání s kovem skvělým vodičem elektřiny. Ve skutečnosti většina kovů vede elektřinu asi 1000x stejně jako obyčejné uhlíkové vlákno. I když je uhlíkové vlákno ošetřeno jinými materiály, stále není tak dobré jako kov, pokud jde o vedení elektřiny. Kovy jako stříbro, hliník a měď jsou obzvláště dobré ve vedení elektřiny, stále asi 100x rychleji než uhlíková vlákna ošetřená dobrými elektrickými vodiči.
Vedení tepelné energie je jiný příběh. Když je uhlíkové vlákno vyrobeno dobře a správně ošetřeno, je ve skutečnosti tepelně vodivější než vysoce vodivý kov, jako je měď.
Jaké jsou použití vodivých uhlíkových vláken?
Upravené uhlíkové vlákno se používá v luxusních předmětech, jako jsou helmy a zavazadla, které těží z toho, že jsou lehké a odolné. Ale vodivost uhlíkových vláken svítí v průmyslovějších použitích, jako je vlečka kontejnerů v inženýrských a leteckých projektech.
Věda stále pracuje na zlepšení elektrické vodivosti uhlíkových vláken. Vzhledem k jeho nejvyšší trvanlivosti, tepelné odolnosti, nízké hmotnosti a malé velikosti ve srovnání s věcmi, jako jsou kovové dráty, se očekává, že produkty z uhlíkových vláken budou v budoucnu mnohem více používány jako vodiče.
Karbonové vlákno má mnoho úžasných vlastností. Jedním z nich jsou jeho úžasné schopnosti jako tepelného nebo elektrického vodiče při zpracování jinými kovovými kompozity.
