Що таке вуглецеві волокна?
Вуглецеві волокна — це графітоподібні довголанцюгові вуглецеві одиниці, що мають мережну структуру. Довголанцюгові мережеві одиниці вуглецю виникають завдяки властивості катенації атомів вуглецю, тобто з’єднанню атомів подібного елемента.
Томасу Елві Едісону приписують створення першої вугільної нитки для тестування електричної нитки лампочки з використанням натуральної бавовни.
Попередники - це сировина, яка використовується у виробництві вуглецевих волокон.
Як виготовляється вуглецеве волокно?
Більшість вуглецевого волокна виготовляється за технологією, яка називається поліакрилонітрил або ПАН. У процесі волокнистий лист піддається такому сильному нагріванню, що згорає майже все, крім самого вуглецю.
Кроки для виробництва звичайних вуглецевих волокон:
1: Полімеризація: щоб отримати довголанцюговий полімер, попередник полімеризують.
2: Прядіння: після цього полімер прядуть у довгі волокна. Зазвичай використовуються хімічні та механічні процедури.
3: Окислення: волокно стабілізується шляхом нагрівання його на повітрі. Він поглинає кисень з повітря та проходить складний процес атомної перегрупування для стабілізації волокна.
4: Карбонізація: за відсутності кисню високотемпературна обробка окисленого та стабілізованого волокна сприяє втраті невуглецевих атомів, у результаті чого утворюється щільне упаковане вуглецеве волокно.
5: Обробка поверхні: карбонізовані волокна мають погану здатність до зв’язування, що ускладнює їх злиття з епоксидними смолами для отримання композиту. Щоб набути цієї зв’язувальної здатності, поверхня обробляється відповідними хімічними речовинами.
6: Розмір: для захисту волокна покриті епоксидною смолою, нейлоном, поліестером та іншими матеріалами. Це називається розміром.
Необроблений лист вуглецевого волокна потім з’єднується з іншими металами (важлива частина розуміння провідності вуглецевого волокна), а отримане з’єднання обробляється та визначається розмір за допомогою хімічних процесів.
Процес глибокий і, отже, дорогий.
ПОВ’ЯЗАНЕ: 5 цікавих способів використання листів з вуглецевого волокна
Чи є вуглецеве волокно провідним саме по собі?
Ні, вуглецеве волокно не надто проводить, якщо воно не поєднується ні з чим іншим, ані з точки зору теплопровідності, ані електропровідності.
Що стосується теплопровідності (здатності проводити тепло), вуглецеве волокно середнє. Відносно високоякісне вуглецеве волокно має приблизно таку ж теплопровідність, як кремній, і навіть найкраще вуглецеве волокно має меншу теплопровідність, ніж алюміній.
Звичайне старе вуглецеве волокно є трохи кращим, коли йдеться про електропровідність, хоча воно все ще не таке провідне, як більшість металів. Коли вуглецеве волокно використовується як електропровідник, найкраще модифікувати вуглецеве волокно, сплітаючи його з іншими металами або створюючи більш електропровідний вуглецевий алотроп, як-от алмаз чи графіт.
Як ми можемо зробити вуглецеве волокно більш провідним?
Щоб збільшити електропровідність, вуглецеве волокно слід обробити іншими матеріалами після його ізоляції. Найкращі суміші для поєднання з вуглецевим волокном для підвищення провідності – це латекс для іонної провідності (через рідину) та пил кремнію для електронної провідності (через тверду речовину).
Існують алотропи вуглецю, які проводять тепло набагато краще, ніж вуглецеве волокно -- алмаз, зокрема, проводить тепло в 100 разів ефективніше, ніж звичайне вуглецеве волокно. Створити ці алотропи непросто, але існують процеси, що включають тиск, тепло та інші хімічні реакції, які роблять перетворення можливими. Якщо вуглецеве волокно обробити цими вуглецевими алотропами, коли вони будуть готові, теплопровідність вуглецевого волокна може зрости в рази.
Отже, чи є вуглецеве волокно провідним? Не так багато в його базовому стані, але це можна легко змінити з невеликою наукою.
ПО ТЕМІ: Для чого використовується плівка з вуглецевого волокна?
Чи є вуглецеве волокно провідним порівняно з металом?
Не сама по собі, ні. Однак при обробці іншими металами це так.
Саме по собі вуглецеве волокно не є кращим провідником електрики порівняно з металом. Насправді більшість металів проводять електрику приблизно в 1000 разів так само добре, як звичайне вуглецеве волокно. Навіть при обробці іншими матеріалами вуглецеве волокно все ще не настільки добре, як метал, коли справа доходить до електропровідності. Такі метали, як срібло, алюміній і мідь, особливо добре проводять електрику, і все ще приблизно в 100 разів швидше, ніж вуглецеве волокно, оброблене хорошими провідниками електрики.
Проведення теплової енергії – це окрема історія. При якісному виготовленні та належній обробці вуглецеве волокно фактично є більш теплопровідним, ніж високопровідний метал, як-от мідь.
Яке використання провідного вуглецевого волокна?
Оброблене вуглецеве волокно використовується в предметах розкоші, таких як шоломи та багаж, які мають легкість і міцність. Але провідність вуглецевого волокна блищить у більш промисловому застосуванні, наприклад, у контейнерному сайдингу в інженерних та аерокосмічних проектах.
Наука все ще працює над покращенням електропровідності вуглецевого волокна. Очікується, що вироби з вуглецевого волокна в майбутньому будуть використовуватися набагато частіше як провідники через його надзвичайну довговічність, термостійкість, легкість і невеликі розміри порівняно з такими речами, як металеві дроти.
Вуглецеве волокно має багато дивовижних якостей. Однією з них є його дивовижна здатність проводити тепло або електрику при обробці іншими металевими композитами.
