Šta su karbonska vlakna?
Ugljična vlakna su dugolančane karbonske jedinice slične grafitu koje imaju umreženu strukturu. Dugolančane umrežene jedinice ugljika nastaju zbog svojstva katenacije atoma ugljika, tj. povezanosti atoma sličnog elementa.
Thomas Elva Edison je zaslužan za stvaranje prve karbonske niti za testiranje električne niti sijalice koristeći prirodni pamuk.
Prekursori su sirovi elementi koji se koriste u proizvodnji karbonskih vlakana.
Kako se proizvode karbonska vlakna?
Većina karbonskih vlakana napravljena je od procesa koji se zove poliakrilonitril ili PAN. U tom procesu, ploča od vlakana je izložena tako visokoj toplini da je gotovo sve osim samog ugljika izgorjelo.
Koraci za proizvodnju normalnih karbonskih vlakana:
1: Polimerizacija: Da bi se napravio dugolančani polimer, prekursor se polimerizira.
2: Predenje: Nakon toga, polimer se prede u duga vlakna. Obično se koriste hemijski i mehanički postupci.
3: Oksidiranje: Vlakno se stabilizuje zagrijavanjem na zraku. On apsorbira kisik iz zraka i prolazi kroz sofisticirani proces atomskog preuređivanja kako bi stabilizirao vlakno.
4: Karbonizacija: U nedostatku kiseonika, visokotemperaturna obrada oksidisanih i stabilizovanih vlakana pomaže u gubitku neugljičnih atoma, što rezultira čvrsto zbijenim ugljičnim vlaknima.
5: Površinska obrada: Karbonizirana vlakna imaju slabu sposobnost vezivanja, što im otežava spajanje s epoksidnim smolama kako bi se dobio kompozit. Da bi se stekla ova sposobnost vezivanja, površina se tretira odgovarajućim hemikalijama.
6: Dimenzioniranje: Za zaštitu, vlakna su obložena epoksidom, najlonom, poliesterom i drugim materijalima. Ovo se naziva dimenzioniranjem.
Sirovi lim od karbonskih vlakana se zatim spaja s drugim metalima (važan dio razumijevanja provodljivosti karbonskih vlakana), a rezultirajući spoj se obrađuje i dimenzionira pomoću kemijskih procesa.
Proces je dubinski i samim tim skup.
POVEZANO: 5 zabavnih upotreba za listove od karbonskih vlakana
Jesu li karbonska vlakna provodljiva sama po sebi?
Ne, karbonska vlakna nisu previše provodljiva kada se ne kombinuju ni sa čim drugim, ni u smislu toplotne ni električne provodljivosti.
Kada je u pitanju toplotna provodljivost (sposobnost provođenja toplote), karbonska vlakna su prosečna. Relativno visokokvalitetna karbonska vlakna imaju približno istu toplotnu provodljivost kao silicijum, a čak i vrhunska karbonska vlakna imaju manju provodljivost od aluminijuma.
Obična stara karbonska vlakna su malo bolja kada je u pitanju električna provodljivost, iako još uvijek nisu provodljiva kao većina metala. Kada se koristi kao električni provodnik, najbolje je modificirati karbonska vlakna preplitanjem s drugim metalima ili stvaranjem elektroprovodljivijeg ugljičnog alotropa poput dijamanta ili grafita.
Kako možemo učiniti karbonska vlakna provodljivijim?
Da bi se povećala električna provodljivost, karbonska vlakna treba tretirati drugim materijalima nakon što su izolirana. Najbolja jedinjenja koja se kombinuju sa ugljeničnim vlaknima u cilju povećanja provodljivosti su lateks za ionsku provodljivost (kroz tečnost) i silicijum dioksid za elektronsku provodljivost (kroz čvrstu materiju).
Postoje ugljični alotropi koji provode toplinu mnogo bolje od dijamanta od karbonskih vlakana --, a posebno provode toplinu do 100x efikasnije od običnih karbonskih vlakana. Stvaranje ovih alotropa je daleko od lakog, ali postoje procesi koji uključuju pritisak, toplotu i druge hemijske reakcije koje omogućavaju transformacije. Ako se karbonska vlakna tretiraju ovim karbonskim alotropima kada su spremni, toplotna provodljivost karbonskih vlakana može se višestruko povećati.
Dakle, jesu li karbonska vlakna provodljiva? Ne toliko u svom osnovnom stanju, ali to se može lako promijeniti uz malo nauke.
POVEZAN: Za šta se koristi omot od karbonskih vlakana?
Da li su karbonska vlakna provodljiva u poređenju sa metalom?
Ne samo po sebi, ne. Međutim, kada se tretira drugim metalima, jeste.
Ugljična vlakna sama po sebi nisu dobar provodnik električne energije u poređenju s metalom. U stvari, većina metala provodi električnu energiju 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 provodljivost električne energije. Metali poput srebra, aluminija i bakra posebno su dobri u provođenju električne energije, i dalje oko 100x brži od karbonskih vlakana tretiranih dobrim provodnicima električne energije.
Provođenje toplotne energije je druga priča. Kada su dobro napravljena i pravilno tretirana, karbonska vlakna su zapravo provodljivija od visoko provodljivog metala poput bakra.
Koja je upotreba provodnih karbonskih vlakana?
Obrađena karbonska vlakna koriste se u luksuznim predmetima kao što su kacige i prtljag koji imaju koristi od toga što su lagani i izdržljivi. Ali provodljivost karbonskih vlakana blista u više industrijskih namjena kao što je obloga kontejnera u inženjerskim i svemirskim projektima.
Nauka još uvijek radi na poboljšanju električne provodljivosti karbonskih vlakana. Zbog svoje vrhunske izdržljivosti, otpornosti na toplinu, male težine i male veličine u poređenju sa stvarima poput metalnih žica, očekuje se da će se proizvodi od karbonskih vlakana mnogo više koristiti kao provodnici u budućnosti.
Ugljična vlakna imaju mnogo nevjerovatnih kvaliteta. Jedna od njih je njegova zadivljujuća sposobnost toplotnog ili električnog provodnika kada se tretira drugim metalnim kompozitima.
