Hur tillverkas kolfiber?

Även kallad grafitfiber eller kolgrafit består kolfiber av mycket tunna delar av elementet kol. Kolfiber har hög draghållfasthet och är mycket starka för sin storlek. I själva verket kan kolfiber vara det starkaste materialet som finns.

Varje fiber har en diameter på 5-10 mikron. För att ge en känsla av hur liten den är, är en mikron (um) 0,000039 tum. En tråd av spindelvävssilke är vanligtvis mellan 3-8 mikron.

Kolfibrer är dubbelt så styva som stål och fem gånger så starka som stål (per viktenhet). De är också mycket kemiskt resistenta och har hög temperaturtolerans med låg termisk expansion.

Kolfibrer är viktiga inom konstruktionsmaterial, rymd, högpresterande fordon, sportutrustning och musikinstrument - för att bara nämna några av deras användningsområden.

Råmaterial

Kolfiber är tillverkad av organiska polymerer, som består av långa strängar av molekyler som hålls samman av kolatomer. De flesta kolfibrer (cirka 90 procent) är tillverkade av polyakrylonitril-processen (PAN). En liten mängd (cirka 10 procent) tillverkas från rayon eller petroleum pitch-processen. Gaser, vätskor och andra material som används i tillverkningsprocessen skapar specifika effekter, kvaliteter och kvaliteter av kolfiber. Den högsta klass kolfiber med de bästa modulegenskaperna används i krävande applikationer som flyg- och rymd.

Kolfibertillverkare skiljer sig från varandra i kombinationerna av råvaror de använder. De behandlar vanligtvis sina specifika formuleringar som handelshemligheter.

Tillverkningsprocess

I tillverkningsprocessen dras råvarorna, som kallas föregångare, in i långa trådar eller fibrer. Fibrerna vävs in i tyg eller kombineras med andra material som lindas eller gjutas i önskad form och storlek.

Det finns vanligtvis fem segment i tillverkningen av kolfiber från PAN-processen. Dessa är:

1. Spinning. PAN blandat med andra ingredienser och spunnet till fibrer, som tvättas och sträckes.
2. Stabiliseras. Kemisk förändring för att stabilisera bindningen.
3. Karbonisering. Stabiliserade fibrer uppvärmda till mycket hög temperatur och bildar tätt bundna kolkristaller.
4. Behandla ytan. Ytan på fibrerna oxideras för att förbättra bindningsegenskaperna.
5. Dimensionering. Fibrer beläggs och lindas på spolar, som laddas på spinnmaskiner som tvinnar fibrerna i olika storlekar. I stället för att vävas i tyger kan fibrer formas till kompositer. För att bilda kompositmaterial binder värme, tryck eller vakuum fibrer tillsammans med en plastpolymer.

Tillverkningsutmaningar

Tillverkningen av kolfiber innebär ett antal utmaningar, inklusive:

• Behovet av mer kostnadseffektiv återhämtning och reparation.
• Ytbehandlingsprocessen måste regleras noggrant för att undvika att skapa gropar som kan leda till defekta fibrer.
• Nära kontroll krävs för att säkerställa jämn kvalitet.
• Hälso- och säkerhetsfrågor
• Hudirritation
• Andningsirritation
• Båge och shorts i elektrisk utrustning på grund av den starka elektriska ledningsförmågan hos kolfiber.

Carbon Fiber's framtid

På grund av sin höga draghållfasthet och lätta vikt anser många att kolfiber är det viktigaste tillverkningsmaterialet i vår generation. Kolfiber kan spela en allt viktigare roll inom områden som:

• Energi: Vindkraftblad, naturgaslagring och transport, bränsleceller.
• bilar: För närvarande bara för högpresterande fordon flyttar kolfibertekniken till större användning. I december 2011 meddelade General Motors att det arbetar med kolfiberkompositer för massproduktion av bilar.
• Konstruktion: Lätt förgjuten betong, jordbävningsskydd.
• Flygplan: Försvar och kommersiella flygplan. Obemannade luftfordon.
• Utforskning av olja: Djupvattensborrplattformar, borrrör.
• Kolnanorör: Halvledarmaterial, rymdskepp, kemiska sensorer och andra användningsområden.

2015 hade kolfiber en marknadsstorlek på 2,25 miljarder dollar. Prognoserna har att marknaden expanderar till 31 miljarder dollar år 2024. För att uppnå detta måste kostnaderna minskas och nya applikationer riktas in.