Jak vyrábíte silné uhlíkové vlákno?
Nejprve se vrstva vláken a jiných polymerů zahřeje na velmi vysokou teplotu v prostoru bez kyslíku. Protože tam není žádný kyslík, vlákno nemůže hořet, ale místo toho se tak zahřeje, že zbudou pouze atomy uhlíku.
Dále se uhlík stabilizuje a karbonizuje. To zahrnuje zahřátí uhlíku odolného proti hoření na vysoké teploty pod širým nebem, poté jej vložit do pece naplněné chemickými plyny (ale ne kyslíkem) a ještě dále vařit.
Zatřetí, plech se ochladí a ponoří do různých chemických plynů, včetně kyslíku, aby získal lepší spojovací vlastnosti.
Nakonec se na fólii nanese povlak z epoxidové pryskyřice, který chrání vlákna před poškozením při výrobě produktů. Složení povlaku se liší v závislosti na výchozích materiálech použitých pro vlákno.
Toto je proces výroby jediné desky z uhlíkových vláken, která je extrémně pevným stavebním materiálem, ale přesto může být křehká a v některých ohledech snadno rozlomitelná. Další informace o tom, jak se desky z uhlíkových vláken stávají téměř nerozbitnými, naleznete níže v části „Rozlomí se uhlíková vlákna snadno?“
Je důležité vědět, že výroba silných uhlíkových vláken je extrémně složitý proces, který rozhodně nelze dělat doma.
Proč je uhlíkové vlákno tak silné?
Uhlíkové vlákno patří mezi nejpevnější materiály na Zemi díky řetězovým vazbám jeho molekul. Tato struktura vzniká během všech chemických reakcí a extrémních teplotních změn, kterými vlákno při výrobě prochází.
Procesy spojují dohromady tisíce malých vláken a mísí je s epoxidem. Tyto prameny tvoří vrstvu uhlíkových vláken, jejichž pevnost je ovlivněna přesnou orientací pramenů a typy tkanin použitých ve vrstvě.
Jedna vrstva uhlíkových vláken má obvykle tloušťku přibližně 0,25 mm a není vůbec příliš pevná. Ve skutečnosti se při této tloušťce uhlíkové vlákno velmi snadno zlomí. To může být v rozporu s tím, co víte o tom, že uhlíková vlákna jsou silná, ale pevnost je vytvářena v procesu vrstvení více vrstev také pomocí orientace a vazby vláken, také známé jako „skládání“.
Molekulární čistota uhlíkových vláken také pomáhá vyvinout pevně spojenou strukturu.
Rozbije se uhlíková vlákna snadno?
Krátká odpověď je, že může, jak je popsáno výše. Skvělá věc na uhlíkových vláknech je, že můžete ovládat sílu a směr síly. Pokud například chcete, aby byla v jednom směru super pevná a v druhém pružnější, můžete to udělat pomocí specifického typu látky a rozložení.
Jednosměrné listy
Pro vysvětlení si představte jednu z těch dřevěných podložek používaných k výrobě sushi. Rohož je vyrobena ze svazku úzkých dřevěných tyčí, které jdou navzájem paralelně a jsou spojeny dohromady. Výsledkem je, že je snadné rohož ohnout, pokud se ohnete proti srsti. Pokud se však s obilím ohnete, podložka se neohne vůbec snadno, protože by to ve skutečnosti znamenalo ohnout se dostatečně silně, aby došlo k prasknutí dřevěných tyčí.
Listy z uhlíkových vláken se skládají z řady rovnoběžných tyčí, podobných sushi podložce. Ale v uhlíkových vláknech jsou tyče vyrobeny z upraveného vlákna a jsou mnohem pevnější než dřevo. Z tohoto důvodu je poměrně obtížné rozbít list uhlíkových vláken, pokud vyvíjíte tlak ve stejném směru jako tyče. Jedna vrstva tyčí běžících v jednom směru je podobná typu tkaniny z uhlíkových vláken nazývané „jednosměrné“, kde všechna vlákna běží stejným směrem.
Nyní si představte, že přilepíte dvě podložky na sushi jednu na druhou, přičemž dřevěné tyče spodní podložky jdou jedním směrem a tyče horní podložky běží na druhou stranu. Nyní se podložky vzájemně podpírají a brání se, aby se ohýbaly v obou směrech.
S jednosměrným uhlíkovým vláknem můžete při naskládání vrstev materiálu ovládat směr síly u každé vrstvy. Tato kontrola směru síly je jednou z výhod uhlíkových vláken. Použitím více vrstev můžete vyrobit konečný produkt tak pevný, jak potřebujete pro danou aplikaci.
Tkané prostěradla
Ve tkaných plátech uhlíkových vláken jsou vlákna spletena dohromady jako vlákna koše, aby lépe držela pohromadě. Existuje mnoho různých typů vazeb, které se používají z mnoha různých důvodů. Mohlo by to být estetické, nebo by mohlo být snazší opracovat konkrétní typ materiálu do formy a/nebo by to mohlo mít větší pevnost ve více směrech. Typy použité tkaniny a orientace, ve které jsou umístěny pro kontrolu pevnosti, jsou součástí vývoje strategie kladení.
Bez ohledu na typ vazby však bude jeden list tkaných vláken stále poměrně slabý, pokud nebudou vrstveny.
Stohy fólií z uhlíkových vláken (buď tkaných nebo jednosměrných) se střídajícími se orientacemi jsou extrémně pevné -- až 18x větší než pevnost oceli.
Můžete spalovat uhlíková vlákna?
Těžko byste spalovali uhlíková vlákna.
Pokud jej zahřejete na 750 stupňů, bude hořet velmi pomalu, dokud na něj bude aplikován hořící zdroj paliva. Ale i v tomto bodě se spalování zastaví, jakmile se odstraní zdroj paliva.
Toto omezené hoření je způsobeno pryskyřicí kombinovanou s uhlíkem ve vláknu, protože uhlík sám hořet nebude. Jediný důvod, proč vlákno hoří, je ten, že shoří neuhlíkové složky v něm.
Existují různé typy pryskyřic, které mohou podporovat různé druhy tepla. Typická epoxidová pryskyřice je dobrá až do přibližně 200 stupňů Fahrenheita, ale pryskyřice s vysokou teplotou obvykle odolá teplu až 400 stupňů. Vždy zkontrolujte specifikace použité pryskyřice.
Protože uhlíkové vlákno je tak žáruvzdorné, ale přesto tak pevné, používá se v mnoha strojírenských aplikacích, jako je vlečka uvnitř motorů.
Může uhlíková vlákna rezavět?
Ne. Pevné vazby v uhlíkových vláknech jsou imunní vůči oxidaci kvůli složitým chemickým procesům používaným při výrobě. Epoxidové pryskyřice používané k ochraně uhlíkových vláken před poškozením jsou inertní, což znamená, že jsou bezpečné před rzí a jinými typy koroze.
Jak silné je vlákno z uhlíkových vláken?
Vlákno z uhlíkových vláken je jednotlivá struna použitá na tkanině z uhlíkových vláken. Tyto prameny jsou obvykle spojeny dohromady pomocí pryskyřice, což je RP v CFRP (plast vyztužený uhlíkovými vlákny). Spárováním použitého materiálu s přesným chemickým složením uhlíkových vláken mohou inženýři vytvořit něco ještě odolnějšího, silnějšího a lehčího než jeho části.
V tkané látce bude mít každý pramen uhlíkových vláken obvykle někde mezi 1,{1}} a 12,{3}} jednotlivých vláken, což je méně než šířka lidského vlasu.
Jak silné je tedy uhlíkové vlákno? Řekněme to takto: na světě není mnoho materiálů pevnějších než uhlíková vlákna --, zejména ne komerčně dostupné.