uhlíková vlákna
Uhlíková vlákna jsou materiály složené převážně z atomů uhlíku spojených dohromady a tvořící dlouhé řetězce. Tyto řetězce jsou uspořádány, což vláknu dává vysokou pevnost a tuhost. Vlastnosti uhlíkových vláken velmi závisí na použitém prekurzorovém materiálu a výrobním procesu.
Prekurzorové materiály:
Nejběžnějšími prekurzorovými materiály pro výrobu uhlíkových vláken jsou:
- Polyakrylonitril (PAN): Uhlíková vlákna na bázi PAN tvoří velkou většinu trhu s uhlíkovými vlákny. Nabízejí dobrou rovnováhu mezi pevností v tahu a modulem pružnosti.
- Rayon: Uhlíková vlákna na bázi rayonu patřila mezi první vyvinutá, ale nyní jsou méně běžná kvůli nižší výtěžnosti uhlíku a vyšším výrobním nákladům.
- Smola: Uhlíková vlákna na bázi smoly mohou být vyrobena z ropné smůly nebo uhelné dehtové smoly. Často se používají, když je vyžadován velmi vysoký modul pružnosti.
Výrobní proces:
Výrobní proces obecně zahrnuje několik kroků:
- Stabilizace (oxidace): Prekurzorové vlákno se zahřívá na vzduchu, aby se stabilizovala jeho molekulární struktura. To zabraňuje tavení vlákna během následného procesu karbonizace. U vláken na bázi PAN to zahrnuje zesíťování polymerních řetězců.
- Karbonizace: Stabilizované vlákno se zahřívá na vysoké teploty (typicky 1000-3000 °C) v inertní atmosféře (např. dusík nebo argon). Tento proces odstraňuje neuhlíkové prvky a zvyšuje obsah uhlíku typicky nad 92 %. Čím vyšší je teplota, tím vyšší je modul pružnosti výsledného uhlíkového vlákna.
- Povrchová úprava: Povrch uhlíkového vlákna je často upravován, aby se zlepšila jeho adheze k matricovému materiálu v kompozitu. To může zahrnovat oxidaci, plazmatickou úpravu nebo chemické leptání.
- Klížení: Na uhlíkové vlákno se nanese klížicí prostředek, aby se chránilo během manipulace a tkaní a dále se zlepšila jeho kompatibilita s matricovým materiálem. Klížidlo je obvykle polymer, který je kompatibilní s pryskyřičným systémem používaným v kompozitu.
Vlastnosti uhlíkových vláken:
Uhlíková vlákna vykazují jedinečnou kombinaci vlastností:
- Vysoká pevnost v tahu: Uhlíková vlákna jsou velmi pevná v tahu, což znamená, že vydrží velkou tahovou sílu před zlomením. Pevnost v tahu se typicky měří v MPa (megapascalech). Například vysoce pevná uhlíková vlákna mohou mít pevnost v tahu přesahující 7 GPa.
- Vysoký modul pružnosti (tuhost): Uhlíková vlákna jsou velmi tuhá, což znamená, že odolávají deformaci pod zatížením. Modul pružnosti se typicky měří v GPa. Uhlíková vlákna s vysokým modulem pružnosti mohou mít modul pružnosti přesahující 400 GPa.
- Nízká hustota: Uhlíková vlákna jsou lehká, s hustotou typicky kolem 1,75-1,9 g/cm³. To je výrazně méně než ocel (kolem 7,85 g/cm³) nebo hliník (kolem 2,7 g/cm³).
- Chemická odolnost: Uhlíková vlákna jsou obecně odolná vůči široké škále chemikálií.
- Tepelná stabilita: Uhlíková vlákna vydrží vysoké teploty bez výrazné degradace.
- Elektrická vodivost: Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá, ačkoli vodivost je nižší než u kovů, jako je měď nebo hliník.
- Tepelná vodivost: Uhlíková vlákna vykazují dobrou tepelnou vodivost, zejména ve směru vláken.
Typy uhlíkových vláken:
Uhlíková vlákna se často klasifikují na základě jejich modulu pružnosti v tahu:
- Nízký modul pružnosti (LM): Modul pružnosti menší než 200 GPa.
- Střední modul pružnosti (IM): Modul pružnosti mezi 200 a 300 GPa.
- Vysoký modul pružnosti (HM): Modul pružnosti mezi 300 a 400 GPa.
- Ultra vysoký modul pružnosti (UHM): Modul pružnosti větší než 400 GPa.
Aplikace uhlíkových vláken:
Uhlíková vlákna se používají v široké škále aplikací, včetně:
- Letectví a kosmonautika: Konstrukce letadel, jako jsou křídla a trupy, využívají kompozity z uhlíkových vláken ke snížení hmotnosti a zlepšení palivové účinnosti. Příklady zahrnují Boeing 787 Dreamliner a Airbus A350 XWB.
- Automobilový průmysl: Uhlíková vlákna se používají v automobilových součástech, jako jsou panely karoserie, podvozky a části zavěšení, ke snížení hmotnosti a zlepšení výkonu. Vysoce výkonná vozidla, jako jsou vozy Formule 1, uhlíková vlákna hojně využívají.
- Sportovní vybavení: Uhlíková vlákna se používají ve sportovních potřebách, jako jsou jízdní kola, golfové hole, tenisové rakety a rybářské pruty, ke zlepšení výkonu a snížení hmotnosti.
- Větrná energie: Lopatky větrných turbín jsou často vyrobeny z kompozitů z uhlíkových vláken, aby se zvýšila jejich délka a účinnost.
- Stavebnictví: Uhlíková vlákna se používají ve stavebnictví pro zpevnění a opravy betonových konstrukcí. Polymery vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) mohou být spojeny s betonovými povrchy, aby se zvýšila jejich nosnost.
- Medicína: Uhlíková vlákna se používají v lékařských implantátech, jako jsou ortopedické implantáty a protetické pomůcky, kvůli jejich biokompatibilitě a vysokému poměru pevnosti k hmotnosti. Používají se také v rentgenových stolech, protože jsou radiolucentní (propustné pro záření).
Mechanické vlastnosti - hlubší ponor
Podélná pevnost v tahu, σ, uhlíkového vlákna je maximální tahové napětí, které vlákno vydrží před zlomením, když je taženo podél své délky. Modul pružnosti v tahu, E, představuje tuhost materiálu a je poměrem napětí k deformaci v elastické oblasti.
Vztah mezi napětím a deformací je popsán Hookeovým zákonem:
σ = E * ε
kde ε je deformace.
Poissonův poměr, ν, popisuje poměr příčné deformace k osové deformaci, když je materiál vystaven jednoosému napětí. U uhlíkových vláken je Poissonův poměr typicky poměrně nízký.
ν = -ε_příčná / ε_osová
Chování uhlíkových vláken v tlaku je složité. Jsou obecně slabší v tlaku než v tahu kvůli potenciálu pro mikrovybočení vláken.