Kaj so ogljikova vlakna?
Ogljikova vlakna so grafitu podobne dolgoverižne ogljikove enote z mrežno strukturo. Dolgoverižne omrežne enote ogljika nastanejo zaradi lastnosti katenacije ogljikovih atomov, torej povezovanja atomov podobnega elementa.
Thomas Elva Edison je zaslužen za ustvarjanje prve ogljikove žarilne nitke za testiranje električne žarilne nitke žarnice z uporabo naravnega bombaža.
Predhodniki so surovi elementi, ki se uporabljajo pri proizvodnji ogljikovih vlaken.
Kako so narejena ogljikova vlakna?
Večina ogljikovih vlaken je izdelana s postopkom, imenovanim poliakrilonitril ali PAN. V procesu je vlaknasta plošča izpostavljena tako visoki vročini, da zgori skoraj vse, razen samega ogljika.
Koraki za proizvodnjo običajnih ogljikovih vlaken:
1: Polimerizacija: Za izdelavo dolgoverižnega polimera je prekurzor polimeriziran.
2: Predenje: Po tem se polimer prede v dolga vlakna. Običajno se uporabljajo kemični in mehanski postopki.
3: Oksidacija: Vlakno se stabilizira s segrevanjem na zraku. Absorbira kisik iz zraka in je podvržen sofisticiranemu procesu atomske preureditve za stabilizacijo vlakna.
4: Karbonizacija: V odsotnosti kisika visokotemperaturna obdelava oksidiranih in stabiliziranih vlaken pomaga pri izgubi neogljikovih atomov, kar ima za posledico tesno zapakirana ogljikova vlakna.
5: Površinska obdelava: Karbonizirana vlakna imajo slabe zmožnosti lepljenja, zaradi česar se težko spojijo z epoksi smolami, da nastane kompozit. Za pridobitev te sposobnosti vezave je površina obdelana z ustreznimi kemikalijami.
6: Dimenzioniranje: Za zaščito so vlakna prevlečena z epoksidom, najlonom, poliestrom in drugimi materiali. To se imenuje dimenzioniranje.
Surova plošča iz ogljikovih vlaken se nato združi z drugimi kovinami (pomemben del razumevanja prevodnosti ogljikovih vlaken), nastala spojina pa se obdela in dimenzionira s kemičnimi postopki.
Postopek je poglobljen in zato drag.
Ali so ogljikova vlakna sama po sebi prevodna?
Ne, ogljikova vlakna niso preveč prevodna, če niso kombinirana z ničemer drugim, niti glede toplotne niti električne prevodnosti.
Ko gre za toplotno prevodnost (sposobnost prevajanja toplote), so ogljikova vlakna povprečna. Relativno visokokakovostna ogljikova vlakna imajo približno tako toplotno prevodnost kot silicij in celo vrhunska ogljikova vlakna imajo manjšo prevodnost kot aluminij.
Navadna stara ogljikova vlakna so nekoliko boljša, ko gre za električno prevodnost, čeprav še vedno niso tako prevodna kot večina kovin. Kadar se uporablja kot električni prevodnik, je najbolje, da ogljikova vlakna spremenite tako, da jih prepletete z drugimi kovinami ali ustvarite bolj električno prevoden ogljikov alotrop, kot sta diamant ali grafit.
Kako lahko naredimo ogljikova vlakna bolj prevodna?
Za povečanje električne prevodnosti je treba ogljikova vlakna, ko so izolirana, obdelati z drugimi materiali. Najboljši spojini za kombinacijo z ogljikovimi vlakni za povečanje prevodnosti sta lateks za ionsko prevodnost (skozi tekočino) in silicijev dioksid za elektronsko prevodnost (skozi trdno snov).
Obstajajo ogljikovi alotropi, ki prevajajo toploto veliko bolje kot ogljikova vlakna -- diamant zlasti prevaja toploto do 100-krat bolj učinkovito kot navadna ogljikova vlakna. Ustvarjanje teh alotropov še zdaleč ni enostavno, vendar obstajajo procesi, ki vključujejo pritisk, toploto in druge kemične reakcije, ki omogočajo transformacije. Če ogljikova vlakna obdelamo s temi ogljikovimi alotropi, ko so pripravljeni, se lahko toplotna prevodnost ogljikovih vlaken večkrat poveča.
Torej, ali so ogljikova vlakna prevodna? Ne toliko v osnovnem stanju, ampak to se lahko zlahka spremeni z malo znanosti.
Ali so ogljikova vlakna prevodna v primerjavi s kovino?
Ne samo po sebi, ne. Pri obdelavi z drugimi kovinami pa je.
Ogljikova vlakna sama po sebi niso dober prevodnik električne energije v primerjavi s kovino. Pravzaprav večina kovin prevaja elektriko približno 1000x tako dobro kot navadna ogljikova vlakna. Tudi če so obdelana z drugimi materiali, ogljikova vlakna še vedno niso tako dobra kot kovina, ko gre za prevodnost električne energije. Kovine, kot so srebro, aluminij in baker, so še posebej dobre pri prevajanju električnega toka, še vedno približno 100-krat hitrejše od ogljikovih vlaken, obdelanih z dobrimi električnimi prevodniki.
Prevajanje toplotne energije je druga zgodba. Če so ogljikova vlakna dobro izdelana in pravilno obdelana, so dejansko bolj toplotno prevodna kot zelo prevodna kovina, kot je baker.
Kakšna je uporaba prevodnih ogljikovih vlaken?
Obdelana ogljikova vlakna se uporabljajo v luksuznih predmetih, kot so čelade in prtljaga, ki so lahki in vzdržljivi. Toda prevodnost ogljikovih vlaken blesti pri bolj industrijskih uporabah, kot je stranski tir kontejnerjev v inženirskih in vesoljskih projektih.
Znanost si še vedno prizadeva izboljšati električno prevodnost ogljikovih vlaken. Zaradi izjemne vzdržljivosti, toplotne odpornosti, lahke teže in majhnosti v primerjavi s stvarmi, kot so kovinske žice, se pričakuje, da se bodo izdelki iz ogljikovih vlaken v prihodnosti veliko bolj uporabljali kot prevodniki.
Ogljikova vlakna imajo številne neverjetne lastnosti. Eden od njih je njegova neverjetna sposobnost toplotnega ali električnega prevodnika, ko je obdelan z drugimi kovinskimi kompoziti.
