Ako vyrobíte silné uhlíkové vlákno?
Najprv sa vrstva vlákna a iných polymérov zahreje na veľmi vysokú teplotu v priestore bez kyslíka. Pretože tam nie je žiadny kyslík, vlákno nemôže horieť, ale naopak sa tak zahrieva, že zostávajú iba atómy uhlíka.
Ďalej sa uhlík stabilizuje a karbonizuje. To zahŕňa zahriatie uhlíka odolného voči horeniu na vysoké teploty na čerstvom vzduchu, jeho vloženie do pece naplnenej chemickými plynmi (ale nie kyslíka) a jeho ešte ďalšie varenie.
Po tretie, list sa ochladí a ponorí do rôznych chemických plynov vrátane kyslíka, aby sa získali lepšie spojovacie vlastnosti.
Nakoniec sa na fóliu nanesie povlak z epoxidovej živice, ktorý chráni vlákna pred poškodením pri výrobe produktov. Zloženie povlaku sa líši v závislosti od východiskových materiálov použitých na vlákno.
Toto je proces výroby jednej dosky z uhlíkových vlákien, ktorá je mimoriadne pevným stavebným materiálom, ale stále môže byť krehká a v niektorých ohľadoch sa dá ľahko zlomiť. Viac informácií o tom, ako sa dosky z uhlíkových vlákien stanú takmer nerozbitnými, nájdete v časti „Rozbije sa uhlíkové vlákno ľahko?“
Je dôležité vedieť, že výroba silných uhlíkových vlákien je mimoriadne zložitý proces, ktorý sa rozhodne nedá robiť doma.
Prečo je uhlíkové vlákno také silné?
Uhlíkové vlákno patrí medzi najpevnejšie materiály na Zemi vďaka reťazovým väzbám jeho molekúl. Táto štruktúra vzniká pri všetkých chemických reakciách a extrémnych teplotných zmenách, ktorými vlákno pri výrobe prechádza.
Procesy spájajú tisíce malých prameňov a zmiešajú ich s epoxidom. Tieto pramene tvoria vrstvu uhlíkových vlákien, ktorých pevnosť je ovplyvnená presnou orientáciou prameňov a typom tkaniny použitej vo vrstve.
Jedna vrstva uhlíkových vlákien má zvyčajne hrúbku približne 0,25 mm a vôbec nie je príliš pevná. V skutočnosti sa pri tejto hrúbke uhlíkové vlákno veľmi ľahko zlomí. To môže byť v rozpore s tým, čo viete o tom, že uhlíkové vlákna sú silné, ale pevnosť sa vytvára v procese stohovania viacerých vrstiev aj pomocou orientácie a väzby vlákien, známej tiež ako „ukladanie“.
Molekulárna čistota uhlíkových vlákien tiež pomáha vytvoriť pevne spojenú štruktúru.
Rozbije sa uhlíkové vlákno ľahko?
Krátka odpoveď je, že môže, ako je opísané vyššie. Skvelá vec na uhlíkových vláknach je, že môžete ovládať silu a smer sily. Napríklad, ak chcete, aby bol v jednom smere super pevný a v druhom pružnejší, môžete to urobiť pomocou špecifického typu látky a rozloženia.
Jednosmerné listy
Na vysvetlenie si predstavte jednu z tých drevených podložiek používaných na výrobu sushi. Rohož je vyrobená zo zväzku úzkych drevených tyčí, ktoré idú navzájom paralelne a sú navzájom spojené. Výsledkom je, že je ľahké ohnúť rohož, ak sa ohýbate proti vláknam. Ak sa však ohýbate so zrnom, rohož sa neohne vôbec ľahko, pretože by to znamenalo ohnúť sa dostatočne silno na to, aby ste zalomili drevené tyče.
Listy z uhlíkových vlákien sa skladajú zo série rovnobežných tyčí, podobných sushi podložke. Ale v uhlíkových vláknach sú tyče vyrobené z upraveného vlákna a sú oveľa pevnejšie ako drevo. Z tohto dôvodu je dosť ťažké zlomiť vrstvu uhlíkových vlákien, ak vyvíjate tlak v rovnakom smere ako tyče. Jedna vrstva tyčí prebiehajúcich v jednom smere je podobná typu tkaniny z uhlíkových vlákien nazývanej "jednosmerná", kde všetky vlákna prebiehajú v rovnakom smere.
Teraz si predstavte, že prilepíte dve podložky na sushi jednu na druhú, pričom drevené tyče spodnej podložky idú jedným smerom a tyče hornej podložky idú opačným smerom. Teraz sa rohože navzájom podporujú a bránia tomu, aby sa ohýbali v žiadnom smere.
S jednosmernými uhlíkovými vláknami môžete pri ukladaní vrstiev materiálu ovládať smer sily každej vrstvy. Táto kontrola smeru sily je jednou z výhod uhlíkových vlákien. Použitím viacerých vrstiev môžete urobiť konečný produkt tak pevný, ako potrebujete pre danú aplikáciu.
Tkané obliečky
V tkaných plátoch uhlíkových vlákien sú vlákna spolu tkané ako vlákna koša, aby lepšie držali pohromade. Existuje veľa rôznych typov väzieb, ktoré sa používajú z rôznych dôvodov. Mohlo by to byť estetické, alebo by mohlo byť jednoduchšie opracovať konkrétny typ materiálu do formy a/alebo by to mohlo mať väčšiu pevnosť vo viacerých smeroch. Typy látok, ktoré sa používajú, a orientácia, v ktorej sú umiestnené na kontrolu pevnosti, sú súčasťou vývoja stratégie kladenia.
Bez ohľadu na to, aký typ väzby však bude, jeden list tkaného vlákna bude stále dosť slabý, pokiaľ nebude vrstvený.
Hromady dosiek z uhlíkových vlákien (buď tkaných alebo jednosmerných) so striedajúcimi sa orientáciami sú extrémne pevné -- až 18-krát väčšie ako pevnosť ocele.
Dokážete spáliť uhlíkové vlákno?
Ťažko by ste spálili uhlíkové vlákna.
Ak ho zahrejete na 750 stupňov, bude horieť veľmi pomaly, pokiaľ naň bude priložený horiaci zdroj paliva. Ale aj v tomto bode sa horenie zastaví, akonáhle sa odstráni zdroj paliva.
Toto obmedzené horenie je spôsobené živicou kombinovanou s uhlíkom vo vlákne, pretože samotný uhlík nezhorí. Jediný dôvod, prečo vlákno horí, je ten, že v ňom horia neuhlíkové zložky.
Existujú rôzne typy živíc, ktoré môžu podporovať rôzne druhy tepla. Typická epoxidová živica je dobrá do približne 200 stupňov Fahrenheita, ale vysokoteplotná živica zvyčajne odoláva teplu až do 400 stupňov. Vždy skontrolujte špecifikácie použitej živice.
Pretože uhlíkové vlákno je tak odolné voči teplu, ale stále také pevné, používa sa v mnohých strojárskych aplikáciách, ako je vlečka vo vnútri motorov.
Môže uhlíkové vlákno hrdzavieť?
Nie. Pevné väzby v uhlíkových vláknach sú odolné voči oxidácii z dôvodu zložitých chemických procesov používaných počas výroby. Epoxidové živice používané na ochranu uhlíkových vlákien pred poškodením sú inertné, čo znamená, že sú bezpečné pred hrdzou a inými typmi korózie.
Aké silné je vlákno z uhlíkových vlákien?
Vlákno z uhlíkových vlákien je individuálna struna použitá na tkanine z uhlíkových vlákien. Tieto vlákna sú zvyčajne spojené pomocou živice, čo je RP v CFRP (plast vystužený uhlíkovými vláknami). Spojením použitého materiálu s presným chemickým zložením uhlíkových vlákien môžu inžinieri vytvoriť niečo ešte odolnejšie, silnejšie a ľahšie ako jeho časti.
V tkanej látke má každý prameň uhlíkových vlákien za normálnych okolností niekde medzi 1,{1}} a 12,{3}} jednotlivých vlákien, čo je menej ako šírka ľudského vlasu.
Aké silné je teda uhlíkové vlákno? Povedzme to takto: na svete nie je veľa materiálov pevnejších ako uhlíkové vlákna --, najmä tie, ktoré nie sú komerčne dostupné.