Овде је свеобухватан технички преглед материјала од угљеничних влакана-који покрива њихову атомску структуру, производни процес, механичка својства и примарне примене.
Структурна архитектура од угљеничних влакана. Од:ВецторМине / Гетти Имагес
1. Шта су карбонска влакна?
Царбон Фибер(или графитна влакна) се састоје од танких нити атома угљеника пречника од 5 до 10 микрометара. Карбонска влакна-високих перформанси чине најмање 90% угљеника по тежини, спојена заједно у микроскопске кристале поређане паралелно са дугом осом влакна.
Кључна структурна чињеница:Усмерено поравнање графитних слојева даје угљеничним влакнима изузетно висок однос чврстоће-према-тежини дуж његове уздужне осе, надмашујући традиционалне метале као што су челик и алуминијум.
2. Молекуларна структура и класификација
Снага угљеничних влакана потиче од $сп^2$ хибридизованих атома угљеника који формирају две-димензионалне хексагоналне планарне плоче (слично графену). Ови листови се савијају заједно да формирају микрокристалну структуру.
Врсте материјала прекурсора
Угљена влакна се класификују првенствено према материјалу прекурсора који се користи за њихово стварање:
ПАН{0}}базирани (полиакрилонитрил):Представља преко 90% комерцијалне производње. Нуди високу затезну чврстоћу и одличну поузданост конструкције.
Засновано на{0}}огласу:Произведен од смоле од нафте или катрана. Даје изузетно високу крутост (модул затезања) и топлотну проводљивост, иако је генерално нижа затезна чврстоћа.
Рејонски{0}}базирани:Историјски значајан, али се данас ретко користи због ниског приноса угљеника (~20–25%).
3. Процес производње
Трансформација течног прекурсорског полимера у структурна угљенична влакна укључује пет главних фаза:
1. Предење:Формација прекурсора.
Полиакрилонитрилни (ПАН) прах се меша са растварачима и врти у непрекидне филаменте (кугла), а затим се растеже да би се поравнали унутрашњи полимерни ланци.
2.Стабилизација:Термичко укрштено{0}}повезивање (200 степени – 300 степени).
Прекурсорска влакна се загревају на ваздуху. Кисеоничке везе претварају линеарни молекуларни ланац у прстенасту структуру попут мердевина-, спречавајући топљење током наредних корака.
3. Карбонизација:Не-грејање (1000–1500 степени).
Влакна се загревају у инертној атмосфери (азот). Не-атоми угљеника (водоник, азот, кисеоник) се избацују, остављајући чврсто повезане угљеничне прстенове.
4. Површински третман:Повећање адхезије.
Површина влакана се оксидира електролитичким купањем како би се створила хемијска места за сидрење, обезбеђујући снажно механичко везивање са смолним матрицама.
5. Величина:Заштитни премаз.
Заштитни полимерни премаз (димензионирање) се наноси како би се спречило оштећење нити током руковања пре ткања или импрегнирања епоксидом.
4. Поређење механичких својстава
Да би се процениле перформансе структуре, угљенична влакна се обично уграђују у епоксидну матрицу да би се формиралаПолимер ојачан карбонским влакнима (ЦФРП).
| Имовина | Стандардна карбонска влакна (ПАН) | Конструкциони челик (А36) | Алуминијумска легура (7075-Т6) |
| Густина (г/цм3) | 1.75 - 1.80 | 7.85 | 2.81 |
| Затезна чврстоћа (ГПа) | 3.5 - 4.9 | 0.40 | 0.57 |
| Модул затезања (ГПа) | 230 - 300 | 200 | 71 |
| Специфична чврстоћа (кН.м/кг) | ~2,400 | ~50 | ~200 |
5. Кључне предности и ограничења
Предности
Ултра{0}}лаган:Отприлике 1/5 густине челика и 2/3 густине алуминијума.
Висока отпорност на корозију:Хемијски инертан за већину киселина, база и органских растварача.
Ниска топлотна експанзија:Коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ) је скоро{0}}нулти, што га чини идеалним за прецизне оптичке и свемирске апликације.
Животни век високог замора:Одржава структурни интегритет под милионима цикличних оптерећења.
Ограничења
анизотропија:Механичка чврстоћа постоји првенствено дуж дужине влакна; Снага ван{0}}осе захтева вишесмерно ткање или ламинирање.
Крхки квар:Показује скоро{0}}линеарну еластичну реакцију до катастрофалног квара без претходне пластичне деформације.
Висока цена и сложеност рециклаже:Енергетски{0}}интензивна производња и тешко рециклирање термосет матрице након{1}}