Što su karbonska vlakna?
Ugljična vlakna su dugolančane karbonske jedinice nalik grafitu koje imaju umreženu strukturu. Dugolančane umrežene jedinice ugljika nastaju zbog svojstva katenacije ugljikovih atoma, odnosno povezivanja atoma sličnog elementa.
Thomas Elva Edison zaslužan je za stvaranje prve ugljične niti za testiranje u električnoj niti žarulje pomoću prirodnog pamuka.
Prekursori su sirovi elementi koji se koriste u proizvodnji karbonskih vlakana.
Kako se izrađuju karbonska vlakna?
Većina karbonskih vlakana izrađena je postupkom koji se naziva poliakrilonitril ili PAN. U procesu se vlaknasta ploča izlaže tako visokoj toplini da gotovo sve osim samog ugljika izgori.
Koraci za proizvodnju normalnih karbonskih vlakana:
1: Polimerizacija: Za izradu polimera dugog lanca, prekursor se polimerizira.
2: Predenje: Nakon toga, polimer se prede u dugačka vlakna. Obično se koriste kemijski i mehanički postupci.
3: Oksidiranje: Vlakno se stabilizira zagrijavanjem na zraku. Apsorbira kisik iz zraka i podvrgava se sofisticiranom procesu preuređenja atoma za stabilizaciju vlakna.
4: Karbonizacija: U nedostatku kisika, visokotemperaturna obrada oksidiranih i stabiliziranih vlakana pomaže u gubitku neugljikovih atoma, što rezultira tijesno zbijenim ugljičnim vlaknima.
5: Površinska obrada: Karbonizirana vlakna imaju slabu sposobnost vezivanja, što im otežava spajanje s epoksidnim smolama kako bi se proizveo kompozit. Da bi se postigla ta sposobnost vezivanja, površina se tretira odgovarajućim kemikalijama.
6: Određivanje veličine: Za zaštitu, vlakna su presvučena epoksidom, najlonom, poliesterom i drugim materijalima. To se naziva dimenzioniranje.
Sirovi lim od karbonskih vlakana zatim se spaja s drugim metalima (što je važan dio razumijevanja vodljivosti karbonskih vlakana), a dobiveni spoj se obrađuje i dimenzionira pomoću kemijskih procesa.
Proces je dubinski i stoga skup.
POVEZANO: 5 zabavnih namjena ploča od karbonskih vlakana
Jesu li karbonska vlakna sama po sebi vodljiva?
Ne, karbonska vlakna nisu previše vodljiva kada nisu u kombinaciji s bilo čim drugim, ni u smislu toplinske ni električne vodljivosti.
Što se tiče toplinske vodljivosti (sposobnosti provođenja topline), karbonska vlakna su prosječna. Relativno visokokvalitetna karbonska vlakna imaju približno istu toplinsku vodljivost kao i silicij, a čak i vrhunska karbonska vlakna imaju manju vodljivost od aluminija.
Stara obična karbonska vlakna malo su bolja kada je u pitanju električna vodljivost, iako još uvijek nisu tako vodljiva kao većina metala. Kada se koristi kao električni vodič, najbolje je modificirati karbonska vlakna tkanjem zajedno s drugim metalima ili stvaranjem električki vodljivijeg alotropa ugljika poput dijamanta ili grafita.
Kako možemo učiniti karbonska vlakna vodljivijima?
Kako bi se povećala električna vodljivost, ugljična vlakna treba tretirati drugim materijalima nakon što su izolirana. Najbolji spojevi za kombiniranje s ugljičnim vlaknima kako bi se povećala vodljivost su lateks za ionsku vodljivost (kroz tekućinu) i silicij dioksid za elektronsku vodljivost (kroz krutinu).
Postoje alotropi ugljika koji provode toplinu mnogo bolje od ugljičnih vlakana -- dijamant posebno provodi toplinu do 100 puta učinkovitije od običnih ugljičnih vlakana. Stvaranje ovih alotropa daleko je od jednostavnog, ali postoje procesi koji uključuju pritisak, toplinu i druge kemijske reakcije koje omogućuju transformacije. Ako se ugljična vlakna tretiraju ovim alotropima ugljika kada su spremni, toplinska vodljivost ugljičnih vlakana može se višestruko povećati.
Dakle, jesu li karbonska vlakna vodljiva? Ne toliko u osnovnom stanju, ali to se može lako promijeniti uz malo znanosti.
POVEZANO: Za što se koristi omot od karbonskih vlakana?
Jesu li karbonska vlakna vodljiva u usporedbi s metalom?
Ne samo po sebi, ne. Međutim, kada se tretira drugim metalima, jest.
Ugljična vlakna sama po sebi nisu dobar vodič električne energije u usporedbi s metalom. Zapravo, većina metala provodi elektricitet oko 1000x kao i obična karbonska vlakna. Čak i kada se tretiraju drugim materijalima, karbonska vlakna još uvijek nisu tako dobra kao metal kada je u pitanju vodljivost električne energije. Metali kao što su srebro, aluminij i bakar posebno su dobri u provođenju struje, još uvijek oko 100 puta brže od karbonskih vlakana tretiranih dobrim vodičima električne energije.
Provođenje toplinske energije je druga priča. Kada su kvalitetno izrađena i pravilno tretirana, ugljična vlakna su zapravo toplinski vodljivija od visoko vodljivih metala poput bakra.
Čemu se koriste vodljiva ugljična vlakna?
Obrađena ugljična vlakna koriste se u luksuznim predmetima poput kaciga i prtljage koji imaju prednost jer su lagani i izdržljivi. No, vodljivost ugljičnih vlakana blista u više industrijskih namjena kao što su bočne ploče kontejnera u inženjerskim i zrakoplovnim projektima.
Znanost još uvijek radi na poboljšanju električne vodljivosti karbonskih vlakana. Zbog svoje vrhunske izdržljivosti, otpornosti na toplinu, lagane i male veličine u usporedbi sa stvarima poput metalnih žica, očekuje se da će se proizvodi od karbonskih vlakana u budućnosti mnogo više koristiti kao vodiči.
Karbonska vlakna imaju mnoge nevjerojatne kvalitete. Jedna od njih je njegova nevjerojatna sposobnost kao toplinskog ili električnog vodiča kada se tretira s drugim metalnim kompozitima.
