Historia włókna węglowego

Historia włókna węglowego

Elektryczność, żarówki, Edison i bekon

Włókno węglowe zostało po raz pierwszy użyte w 1860 roku do wytworzenia łuku między dwoma naładowanymi, przewodzącymi prętami węglowymi. Elektryczność była wtedy trochę cyrkiem, a włókno węglowe, jak je nazywano, nie miało absolutnie nic wspólnego z dostarczaniem zaawansowanych funkcji, które znamy dzisiaj. Jednak odporność cieplna i przewodność elektryczna włókien węglowych są wykorzystywane w oświetleniu, pomagając w ten sposób znaleźć elementy budulcowe, które tworzą włókna węglowe poprzez „pirolizę”. W 1879 roku Thomas Edison wykorzystał pirolizę do wytworzenia włókien węglowych, które następnie wykorzystano jako elektrody wewnątrz pierwszej żarówki. Włókna te, pochodzące z zanieczyszczeń w spalonych włóknach bawełnianych i bambusowych, stają się rzeczywistymi włóknami węglowymi przewodzącymi prąd.

Dopiero w 1958 roku fizyk Roger Bacon wyprodukował pierwsze wysokowydajne wiskery z włókna węglowego w procesie pirolizy. Badając topnienie grafitu pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia, Bacon odkrył chemię stojącą za sześciokątną strukturą wzmocnioną włóknem węglowym. Ta bogata w węgiel struktura jest następnie powielana, formowana w arkusz i walcowana w sposób ciągły na całej długości włókna. Wąsy Bacona wytwarzają najsztywniejsze i najmocniejsze włókna znane na świecie. Kilka lat później Bacon wyprodukował produkt komercyjny przy użyciu prekursora na bazie sztucznego jedwabiu. Mechaniczne możliwości włókna węglowego wreszcie zaczynają się sprawdzać. Jednak koszt produkcji tego odkrycia był astronomiczny. Aby być żywym,

Pitch i Pan

Lata 70. to czas, w którym fantazyjne właściwości włókna węglowego zaczęły być realizowane w warunkach przemysłowych. Leonard Singer odkrył włókna węglowe na bazie „smoły”, badając karbonizację materiałów na bazie ropy naftowej i węgla. Asfalt jest substancją podobną do smoły wytwarzaną przez podgrzewanie ropy naftowej (oleju) do substancji o wysokiej zawartości węgla. Dzięki rozciąganiu cząsteczek smoły i przetwarzaniu ich w wysokich temperaturach są one układane w wysoce krystaliczne włókna węglowe. Pojawienie się włókien węglowych na bazie paku przyniosło bardzo wysoki moduł (sztywność) i wysoką przewodność cieplną, z których wszystkie są wymagane w zastosowaniach narażonych na wysokie temperatury wewnątrz samolotów. Chociaż bardzo kosztowne w obróbce, włókna węglowe Singera na bazie paku znajdują zastosowanie w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

W międzyczasie japoński naukowiec Akio Shindo rozszerzył badania nad włóknem węglowym w Japonii, stosując postać poliakrylonitrylu (PAN) o wysokiej czystości na bazie ropy naftowej. PAN, najpopularniejszy obecnie prekursor włókna węglowego, zapewnia wysoki poziom krystaliczności we włóknie, a jednocześnie jest twardszy niż kiedykolwiek we włóknach węglowych na bazie paku lub sztucznego jedwabiu. Proces prekursora PAN firmy Shindo jest również bardziej opłacalny w produkcji wysokiej jakości włókien węglowych niż włókna na bazie paku lub sztucznego jedwabiu.

wejść do głównego nurtu

W latach 80. i 90. globalne spojrzenie na zastosowania w lotnictwie i kosmosie, od rządu po klientów komercyjnych, jest obecnie wyraźnie rozpoznawane. Doprowadziło to do wykładniczego wzrostu opcji włókna węglowego dla tych branż. Wynika to z faktu, że znaczne zmniejszenie masy samolotu skutkuje wyższymi osiągami i oszczędnością paliwa samolotu, a nawet elementów silnika. Inżynierowie rozpoczęli prace nad lżejszymi, mocniejszymi i szybszymi koncepcjami. Obecnie projektowane są części zamienne, wykorzystujące materiał z włókna węglowego, w celu zastąpienia części wykonanych ze stopów stali i aluminium. Jednak włókno węglowe jest materiałem trudnym do obróbki w porównaniu z subtraktywnymi metodami obróbki znanymi niegdyś z produkcji metali. Wraz z czasem spędzonym na nauce i zrozumieniu metod produkcji włókien węglowych liczba części metalowych zmniejszyła się i stała się mniej powszechna w każdym nowo zaprojektowanym samolocie. Wraz z rozwojem metod produkcji rozwija się również produkcja samych włókien. Wszystko to doprowadziło do boomu w tej formie czarnego złota, napędzając wyższy popyt.

Ze względu na ulepszone właściwości produkcyjne i przetwórcze włókno węglowe jest obecnie szeroko stosowane w dziedzinach przemysłowych na całym świecie. Stały wzrost wyższej zawartości węgla, niektóre przekraczające 90 procent węgla, przynosi korzyści w postaci zwiększonej wytrzymałości, a jednocześnie jest bardziej opłacalny dla rynku. Ze względu na ulepszenia w inżynierii i kontroli procesu, współczynnik kosztów włókna węglowego znacznie spadł. Zastosowanie włókna węglowego wykroczyło poza zastosowania lotnicze i jest obecnie realnym rozwiązaniem dla coraz szerszego zakresu branż, w tym sportów motorowych, łodzi, artykułów sportowych, budownictwa, a nawet mebli. Pięćdziesiąt lat temu nikt nie myślał o posiadaniu biurka z włókna węglowego. Nawet wyprodukowanie tak dużej ilości surowego włókna węglowego kosztowałoby miliony dolarów. Dziś zastosowanie włókna węglowego ogranicza się jedynie do naszej ludzkiej wyobraźni.