Mindent a szénszálról és annak elkészítéséről

Más néven grafitszál vagy szén-grafit, szénrost a szén elem nagyon vékony szálaiból áll. Ezeknek a szálaknak nagy a szakítószilárdsága és méretüknél fogva rendkívül erősek. Valójában a szénszál egyik formája - a szén nanocsöve- a rendelkezésre álló legerősebb anyagnak tekintik. Szénrost alkalmazások magában foglalja az építőipart, a mérnöki tevékenységeket, az űrkutatást, a nagy teljesítményű járműveket, a sporteszközöket és a hangszereket. Az energia területén a szénszálat szélmalom-lapátok, földgáztárolók és szállításhoz használt üzemanyagcellák gyártásához használják. A repülőgépiparban mind katonai, mind kereskedelmi repülőgépekben, valamint pilóta nélküli légi járművekben alkalmazható. Az olajkutatáshoz mélyfúró fúrók és csövek gyártásánál használják.

Gyors tények: Szénszálas statisztikák

A szénszálat szerves polimerekből készítik, amelyek hosszú szénatomokból álló molekulákból állnak. A legtöbb szénszálat (körülbelül 90%) poliakrilnitril (PAN) eljárásból állítják elő. Kis mennyiségben (kb. 10%) gyártanak műselymet vagy petróleum-szurok eljárást.

A gyártási eljárás során felhasznált gázok, folyadékok és egyéb anyagok a szénszál sajátos hatásait, tulajdonságait és osztályait hozzák létre. Szénszál gyártók az általuk előállított anyagokhoz szabadalmaztatott képleteket és alapanyag-kombinációkat használnak, és általában ezeket a speciális készítményeket üzleti titokként kezelik.

A legmagasabb fokú szénszál a leghatékonyabb modulussal (állandó vagy együttható, amelyet számérték kifejezéséhez használunk amelyeknek az anyagnak van bizonyos tulajdonsága, például rugalmassága), olyan igényes alkalmazásokban használják, mint például repülőgépipar.

A szénszál létrehozása mind kémiai, mind mechanikai folyamatokat magában foglal. A prekurzorokként ismert nyersanyagokat hosszú szálakba húzzák, majd magas hőmérsékletre hevítik anaerob (oxigénmentes) környezetben. Az égés helyett a szélsőséges hő annyira erőteljesen rezeg a szálak atomjaiban, hogy szinte az összes nem szénatom kiürül.

Miután a karbonizációs folyamat befejeződött, a fennmaradó rost hosszú, szorosan összekapcsolt szénatom-láncokból áll, kevés vagy nem szénatomot tartalmaz. Ezeket a szálakat később szövetbe szövik vagy más anyagokkal kombinálják, amelyeket ezután szálakkal tekercselnek, vagy a kívánt alakú és méretű alakra öntik.

A szénszál gyártására szolgáló PAN-eljárásban az alábbi öt szegmens jellemző:

1. Forog. A PAN-t összekeverik más alapanyagokkal és rostra centrifugálják, majd mossák és feszítik.
2. Stabilizálása. A szálak kémiai változtatásokon mennek keresztül, hogy stabilizálják a kötést.
3. szenesítőkezelést. A stabilizált szálakat nagyon magas hőmérsékletre hevítik, szorosan kötött szénkristályokat képezve.
4. A felület kezelése. A szálak felülete oxidálódik a kötődési tulajdonságok javítása érdekében.
5. Méretezés. A szálakat bevonják és feltekercselik az orsókra, amelyeket olyan fonógépekre rakodnak, amelyek a szálakat különböző méretű fonalakba sodorják. Ahelyett, hogy lenne szövetbe szövött, rostok is formálhatók összetett anyagok, hő, nyomás vagy vákuum alkalmazásával a szálak műanyag polimerrel történő megkötésére.

A szén nanocsöveket a szénszálaktól eltérő eljárással gyártják. Becslések szerint 20-szor erősebb, mint elődeik. A nanocsöveket olyan kemencékben kovácsolják, amelyek lézert használnak a szén részecskék elpárologtatásához.

A szénszálak gyártása számos kihívással jár, többek között:

• A költséghatékonyabb helyreállítás és javítás szükségessége
• Egyes alkalmazások nem fenntartható gyártási költségei: Például annak ellenére, hogy új technológia fejlesztés alatt áll, a következők miatt: túlságosan nagy költségekkel jár, a szénszálnak az autóiparban való felhasználása jelenleg a nagy teljesítményre és a luxusra korlátozódik járművek.
• A felületkezelési folyamatot gondosan szabályozni kell, hogy elkerüljük a gödrök kialakulását, amelyek hibás szálakat eredményeznek.
• Az állandó minőség biztosítása érdekében szoros ellenőrzés szükséges
• Egészségügyi és biztonsági kérdések, ideértve a bőr és a légzés irritációját
• Ív és rövidnadrág az elektromos berendezésekben a szénszálak erős villamos vezetőképessége miatt

A szénszál technológia tovább fejlődésével a szénszál lehetőségei csak diverzifikálódnak és növekednek. A Massachusettsi Technológiai Intézetben több, a szénszálakra összpontosító tanulmány már kimutatta a nagy ígéret az új gyártási technológia és tervezés létrehozására, hogy megfeleljen a feltörekvő iparnak igény.

A MIT gépészmérnöki egyetemi docens, John Hart, a nanocsövek úttörője diákjaival az átalakuláson dolgozik a gyártás technológiája, ideértve a kereskedelemben kapható 3D-s nyomtatókkal együtt használandó új anyagok megtekintését is. "Megkértem őket, hogy gondolkodjanak teljesen a sínen; ha el tudnának képzelni egy olyan 3D-s nyomtatót, amelyet még soha nem készítettek, vagy olyan hasznos anyagot, amely nem nyomtatható ki a jelenlegi nyomtatókkal "- magyarázta Hart.

Az eredmények olyan prototípusgépek voltak, amelyek az olvadt üveget, a lágy szolgált fagylaltot és a szénszál kompozitokat nyomtatják. Hart szerint a hallgatói csapatok olyan gépeket is készítettek, amelyek képesek kezelni a „polimerek nagy kiterjedésű párhuzamos extrudálását” és elvégezni a nyomtatási folyamat „in situ optikai szkennelését”.

Ezenkívül Hart együtt dolgozott az MIT kémia egyetemi docensével, Mircea Dinca-val egy nemrégiben megkötött hároméves együttműködésben a Automobili Lamborghini-val. az új szénszál és kompozit anyagok lehetőségeinek vizsgálata, amelyek egy nap nem csak "lehetővé teszik az autó teljes karosszériájának felhasználását akkumulátor rendszer ", de" könnyebb, erősebb testekhez, hatékonyabb katalizátorokhoz, vékonyabb festékhez és jobb hajtómű-hőátadáshoz [összességében] "vezet.

Az ilyen lenyűgöző áttörésekkel a láthatáron nem csoda, hogy a szénszálas piac előrejelzése szerint 4,7 dollárról növekszik. milliárd forint 2019-ben 13,3 milliárd dollárra 2029-re, az összetett éves növekedési rátával (CAGR) 11,0% (vagy kissé magasabb) növekedést mutatva ugyanebben az időszakban. idő.

• McConnell, Vicki. "A szénszál készítése." CompositeWorld. 2008. december 19
• Sherman, Don. "A szénszálakon túl: A következő áttöréses anyag 20-szor erősebb." Autó és sofőr. 2015. március 18
• Randall, Danielle. “Az MIT kutatói együttműködnek a Lamborghini-val a jövő elektromos autójának fejlesztése érdekében.” MITMECHE / Hírekben: Kémiai Tanszék. 2017. november 16
• "Szénszálas piac nyersanyagok szerint (PAN, Pitch, Régió), rost típusa (Szűz, Újrahasznosított), terméktípus, Modulus, Alkalmazás (Kompozit, nem kompozit), Végfelhasználási ipar (A&D, autóipar, szélenergia) és régió - globális előrejelzés 2029-ig. " MarketsandMarkets ™. 2019. szeptember