De fascinerende geschiedenis van koolstofvezel: wie heeft dit hoogwaardige composietmateriaal uitgevonden?

Het moderne tijdperk heeft de opkomst van veel opmerkelijke materialen gezien, maar weinig zijn zo uitzonderlijk als koolstofvezel. Het is ongeëvenaard in zijn sterkte-gewichtsverhouding, heeft een uitstekende duurzaamheid en is bestand tegen corrosie. Industriële activiteiten zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en zelfs de sport zijn er afhankelijk van geworden, en toch wordt de oorsprong van koolstofvezel vaak verwaarloosd. De geschiedenis achter koolstofvezel is zeer boeiend. Dit artikel is bedoeld om licht te werpen op de uitvinding van koolstofvezel, de eerste toepassingen ervan en de evolutie ervan als het hoogwaardige composiet van vandaag. Inzicht in de geschiedenis van koolstofvezel biedt bovendien inzicht in hoe het innovatie in de techniek blijft stimuleren.

Wie wordt beschouwd als de uitvinder van koolstofvezel?

De baanbrekende ontdekking van Roger Bacon in 1958

De meest gemoderniseerde vorm van koolstofvezels kan worden toegeschreven aan natuurkundige Roger Bacon, die in 1958 bij Union Carbide's Parma Technical Center werkte en voorbereidend werk deed voor de industrie. De verkoop van koolstofvezels ontstond voor het eerst tijdens Bacon's onderzoek en omvatte het laten groeien van grafietwhiskers in een koolstofboog. Vezels die in deze tijd werden geproduceerd, leverden opmerkelijke waarde op, omdat hun treksterkte en stijfheid alles wat er toen bestond ver overtroffen. Deze whiskers, hoewel klein van formaat, vertoonden buitengewone eigenschappen, met benaderingen van 700 GPa elasticiteitsmodulus samen met 20 GPa treksterkte, wat perfect aantoont hoe nuttig koolstof kan zijn in geavanceerde materiaaltoepassingen. Met Orderous Cane legde organische gramfractionerende hoogtewaterkolom de oudste technische basis voor het creëren van koolstofvezelpolymorf.

De bijdrage van Union Carbide aan de evolutie van koolstofvezels

Union Carbide synthetiseerde organische verbindingen die hielpen bij de stapsgewijze ontwikkeling die niet werd uitgevoerd toen koolstofvezels nog een concept waren in de academische wereld. De bestanden van Bacon's werk bleken voldoende voor Union Carbide om zijn inkomstenstromen te verminderen door op zeer kleine schaal te testen. Om koolstofvezeltechnologie te industrialiseren, had het bedrijf een koolstofvezelleverancier nodig. Daarom maakte Kuyushin de productie van dunne draden mogelijk van het afgeleide rayon-initiële filter na pyrolyse van vezels in temperatuurvezelbehandeling. Hij legde gewillig Unstorm-werkende onderdelen vast en voegde toe aan de gestelde doelen dat ze testfouten garandeerden. Dit waren de eerste pogingen om een ​​rayonfilter te gebruiken binnen een koolstofrijke structuur met een rooster dat beter aanpasbaar was.

Andere belangrijke bijdragers aan koolstofvezeltechnologie

Koolstofvezel werd ook verfijnd en gecommercialiseerd door andere personen en instellingen naast Roger Bacon. Tijdens de jaren 1960, toen de Royal Aircraft Establishment (RAE) en Rolls Royce technologieën ontwikkelden in het Verenigd Koninkrijk, werd er aanzienlijke vooruitgang geboekt. De inspanningen waren gericht op het gebruik van polyacrylonitril (PAN) als voorloper en resulteerden in vezels met verbeterde mechanische en treksterkte-eigenschappen, waarvan sommige meer dan 2 GPa en moduli van bijna 200 GPa overschreden. Ook Toray Industries en veel andere bedrijven in Japan waren instrumenteel in het verbeteren van de productiecapaciteit van het materiaal door baanbrekende technieken van massaproductie te integreren zonder de kwaliteit te compenseren.

Dankzij deze bijdragen van onderzoekers, bedrijven en overheden kon koolstofvezel de grenzen van de nieuwsgierigheid in laboratoria overstijgen en zich ontwikkelen tot een van de meest waardevolle en multifunctionele materialen in de moderne techniek.

Wat was het oorspronkelijke doel van koolstofvezel?

Verwijzingen naar koolstofvezel kunnen worden teruggevoerd tot de 19e eeuw, toen Thomas Edison het gebruikte in zijn gloeilamp, terwijl hij bamboe gebruikte als filament. Hierdoor kon de sterkte van koolstofmaterialen worden getest bij hoge temperaturen. Helaas waren deze vezels zwak en zouden ze niet toepasbaar zijn in de moderne maatschappij.

Het midden van de 20e eeuw markeerde de tijd dat koolstofvezel een materiaal met hoge sterkte werd. In de jaren 1960 produceerde de Royal Aircraft Establishment in het Verenigd Koninkrijk koolstoffilamenten met verbeterde treksterkte, stijfheid en polyacrylonitril. Deze filamenten konden tot 1,000 MPa weerstaan, samen met een Young-modulus variërend van 200 tot 400 GPa. Met deze ontwikkelingen werd het gebruik van koolstofvezel in de luchtvaarttechniek mogelijk.

Moderne industrieën laten een inspirerende verschuiving zien van Edisons uitvindingen naar modern koolstofvezelgebruik, wat de ongeëvenaarde sterkte-gewichtsverhouding van koolstofvezels onderstreept. Moderne koolstofvezels hebben een verbazingwekkende opbrengst van meer dan 5,000 MPa en Young's moduli in het bereik van 250-1000 GPa op basis van hun kwaliteit. Tegenwoordig worden koolstofvezels met hoge prestaties met opmerkelijke precisie vervaardigd. Het gebruik van koolstofvezels op basis van pek heeft hun toepasbaarheid in structurele, thermische en elektrische domeinen zoals windturbines, sportuitrusting en zelfs medische apparaten en lichtgewicht composietmaterialen voor satellieten, auto's en vliegtuigen verder uitgebreid.

De ontwikkeling van koolstofvezels op basis van pek met een hoge sterkte en modulus legde de lat hoger op het gebied van de prestaties van koolstofvezels op basis van pek, waardoor meer toepassingen op thermisch, structureel en elektrisch gebied mogelijk werden.

Hoe is de productie van koolstofvezel in de loop van de tijd veranderd?

Vroege productiemethoden met behulp van vezels op basis van rayon

Halverwege de 20e eeuw werd het gebruik van rayon-afgeleide vezels voor de productie van koolstofvezels gezien. Deze vezels werden blootgesteld aan hoge temperaturen om een ​​koolstofrijke substantie te vormen. Hoewel deze techniek op zijn eigen manier baanbrekend was, leverde het vezels op met inconsistente parameters, lage sterkte en beperkingen op toepassingen in vergelijking met de huidige mogelijkheden.

Introductie van polyacrylonitril (PAN)-precursoren

De jaren 1960 vertegenwoordigden een substantiële verbetering in koolstofvezelproductietechnieken met de introductie van polyacrylonitril (PAN) precursors. PAN-vezels maakten het mogelijk om polyacrylonitril te baseren op superieure structuren waar talrijke sterktevezels konden worden geproduceerd. Bovendien bezaten de koolstofvezels die uit deze organische vezels werden gecreëerd een hoge treksterkte en waren ze overal uniform. Door deze verschuiving werd het mogelijk om te voldoen aan de eisen van de lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie.

Moderne koolstofvezelproductietechnieken

Tegenwoordig zijn geavanceerde technieken die productieprocessen van koolstofvezelcomposieten automatiseren, zoals stabilisatie, carbonisatie en grafitisatie, de norm. Dit vermindert de hoeveelheid variabiliteit en vergroot tegelijkertijd de schaalbaarheid. Bovendien zorgen stappen in recyclinginspanningen ervoor dat er duurzamere middelen kunnen worden geïmplementeerd binnen de industrie.

Wat zijn de belangrijkste mijlpalen in de geschiedenis van koolstofvezel?

De baanbrekende ontdekking van Roger Bacons bij Union Carbide in 1958 wordt vaak beschouwd als de basis van de koolstofvezelindustrie en de daaropvolgende koolstofvezelontwikkelingen. Voor het eerst was Bacon in staat om vezels met een hoge sterkte en modulus te creëren met behulp van een verhit grafietfilament op een nieuwe experimentele manier. De nieuwe vezels bezaten ongelooflijke mechanische eigenschappen en hadden een opmerkelijke treksterkte en stijfheid, wat het resultaat was van de opmerkelijk uitgelijnde grafietkristalarchitectuur. Met name de trekmodulus was ongeveer 20 miljoen psi en de treksterkte was ongeveer 200,000 psi, wat ongelooflijk indrukwekkende cijfers zijn voor elk materiaal.

Deze ene prestatie was genoeg voor de American Chemical Society om de National Historic Chemical Landmark Award uit te reiken en de fundamenten van de moderne koolstofvezelindustrie te doorbreken. Naast dit belang leidden Bacon's bevindingen tot een revolutie in de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie, evenals andere geavanceerde technische gebieden die lichtgewicht en robuuste materialen vereisen voor kritische ontwerpen.

Hoe verhouden de eigenschappen van koolstofvezel zich tot die van andere materialen?

Treksterkte en lichtgewichteigenschappen

Koolstofvezel is een van de sterkste industriële materialen en is aanzienlijk lichter vergeleken met materialen als staal en aluminium. De treksterkte kan variëren van 250,000 tot 800,000 psi, afhankelijk van het type en de productiemethode. In tegenstelling tot conventionele materialen is de dichtheid van koolstofvezel ongeveer 1.6 g/cm³, wat een groot contrast vormt met de 7.8 g/cm³ van staal. Deze uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding is de reden dat koolstofvezel het materiaal bij uitstek is in de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie, waar het structurele gewicht moet worden verminderd.

Thermische geleidbaarheid en andere fysieke eigenschappen

Hoewel koolstofvezel opmerkelijke mechanische eigenschappen heeft, is de thermische geleidbaarheid beperkt tot het type vezel en de oriëntatie. Het valt doorgaans binnen het bereik van 5 W/m·K tot 1000 W/m·K voor gespecialiseerde varianten met hoge geleidbaarheid. In tegenstelling tot metalen zoals aluminium (dat een waarde heeft van bijna 237 W/m·K), dienen koolstofvezelcomposieten doorgaans als thermische isolatie vanwege de harsmatrix. Een ander inbegrepen kenmerk is een hoge elasticiteitsmodulus die varieert van 20 miljoen tot 50 miljoen psi en een grote vermoeidheidsweerstand. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat het betrouwbaar presteert onder dynamische en extreme omstandigheden, waardoor de toepassing ervan voor gebruik in geavanceerde engineering wordt verbeterd.

Welke industrieën zijn door koolstofvezel gerevolutioneerd?

Lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen

De lucht- en ruimtevaart- en automobielsector zijn getransformeerd met de komst van koolstofvezel, vanwege de ongeëvenaarde sterkte-gewichtsverhouding. Voor de lucht- en ruimtevaart is het materiaal essentieel om het gewicht van vliegtuigen te minimaliseren zonder afbreuk te doen aan de structurele sterkte, wat het brandstofverbruik optimaliseert en de laadcapaciteit maximaliseert. Koolstofvezelcomposieten worden bijvoorbeeld gebruikt in de romp en vleugeldelen van het vliegtuig, waar de treksterkte alleen al rond de 600 ksi ligt. Op dezelfde manier kan de automobielindustrie profiteren van koolstofvezels in high-end supercars, met name als het gaat om carrosserie- en stijve chassisonderdelen, waar acceleratie, remmen en algehele voertuigprestaties worden verbeterd. De hoge elasticiteitsmodulus, tot 50 miljoen psi, garandeert betrouwbaarheid onder pulserende dynamische spanningen en schokken.

Sportuitrusting en consumptiegoederen

Het koolstofvezelcomposiet wordt veel gebruikt in de sport- en recreatie-industrie vanwege het lichte gewicht en de stijfheid. Het wordt gebruikt in fietsen, tennisrackets, golfclubs en hengels. Het frame van een koolstofvezelfiets kan bijvoorbeeld minder dan 1 kg wegen en een treksterkte van 500 ksi hebben, wat zorgt voor ongeëvenaarde snelheid en behendigheid. Op dezelfde manier wordt koolstofvezel verwerkt in de behuizing van consumptiegoederen zoals laptops en smartphones vanwege de esthetische aantrekkingskracht en sterkte zonder het extra gewicht. Deze eigenschappen, gekoppeld, helpen de kwaliteit van het product te verbeteren zonder de duurzaamheid te verliezen.

Bouw- en infrastructuurtoepassingen

De bouwsector past zich aan het gebruik van innovatieve materialen aan, zoals koolstofvezel, dat een hoge treksterkte en een corrosiebestendige eigenschap heeft. Er is een groeiende toepassing voor het versterken van betonconstructies zoals bruggen en gebouwen waar sterkte gecombineerd met lichtheid nodig is. Koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP) wordt gebruikt om steunbalken en kolommen te omwikkelen waar de belastingscapaciteit 2000 MPa overschrijdt. Het bezit ook een weerstand tegen milieudegradatie, wat de sterkte van de constructie in extreme omstandigheden behoudt. Daarom blijft koolstofvezel de moderne infrastructuurmarkt domineren met zijn behoeften aan een langere levensduur en lagere onderhoudskosten.

Wat brengt de toekomst voor koolstofvezeltechnologie?

Vooruitgang in koolstofvezelcomposieten

Het vakgebied materiaalkunde wordt voortdurend uitgedaagd met de nieuwste verbeteringen in koolstofvezeltechnologie, omdat deze innovaties de prestaties, duurzaamheid en efficiëntie verhogen. De nieuwste innovatie pakt de uitdaging van kosten aan door hybride composieten te produceren die koolstofvezel integreren met glasvezel of aramide om de flexibiliteit en slagvastheid te optimaliseren. Daarnaast worden productiemethoden ontwikkeld met behulp van polyacrylonitril (PAN) die de kosten en het energieverbruik verder verlagen, terwijl de uitzonderlijke treksterkte van koolstofvezel, die 4000 MPa overschrijdt, behouden blijft.

Nieuwe toepassingen en innovaties die mogelijk gebruikmaken van koolstofvezels

Koolstofvezel heeft veel nieuwe toepassingen in sommige sectoren, zoals duurzame constructie, stedelijke luchtmobiliteitsvoertuigen, windturbinebladen van de volgende generatie en meer. Zo kunnen thermoplastische composieten voor de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt in snelle productiecycli vanwege hun geavanceerde warmtebehoud van 400°F (204°C). Bovendien wordt CFRP gezocht voor energieproductie in windturbines met bladen die langer zijn dan 100 meter vanwege hun lichtere gewicht en uitstekende vermoeiingsweerstand.

Vanuit een milieustandpunt toont een methode als pyrolyse recycling potentieel in het terugwinnen van vezels voor hergebruik, terwijl de mechanische sterkte behouden blijft en een circulaire levenscyclus voor koolstofvezelproducten mogelijk wordt gemaakt. Deze ontwikkelingen helpen technische problemen op te lossen, maar belangrijker nog, ze vallen samen met de toenemende behoefte aan duurzame en efficiënte materialen in industrieën wereldwijd.

Veelgestelde vragen (FAQ's)

V: Wie wordt gecrediteerd voor de ontdekking van koolstofvezels?

A: Sir Hugh Robert Hurst wordt beschouwd als de pionier van de uitvinding van koolstofvezels in de jaren 1950. Deze vezels vormen de basis voor de hoogwaardige koolstofvezels die we vandaag de dag kennen.

V: Welke materialen zijn nodig voor de productie van PAN-gebaseerde koolstofvezels?

A: De primaire grondstof voor de productie van PAN-gebaseerde koolstofvezels is polyacrylonitril (PAN), dat vervolgens wordt verwerkt tot vezels met een hoge modulus uit pan-precursoren.

V: Waarom worden koolstofvezels in zoveel industrieën gebruikt?

A: Koolstofvezels worden in veel verschillende industrieën gebruikt vanwege hun uitzonderlijke sterkte en hoge modulus. Hierdoor zijn ze geschikt voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de productie van sportuitrusting.

V: Welke bijdrage heeft het leven van Akio Shindo geleverd aan de evolutie van koolstofvezels?

A: Akio Shindo was een van de belangrijkste fabrikanten van PAN-koolstofvezels in de jaren 1970 en zorgde voor een enorme vooruitgang in de ontwikkeling en toepassing van koolstofvezels.

V: Hoe wordt koolstofvezel tegenwoordig commercieel geproduceerd?

A: Tegenwoordig worden commerciële koolstofvezels gemaakt met behulp van moderne methoden voor het spinnen en verhitten van polyacrylonitril (PAN) om vele soorten koolstofvezels en stoffen te vervaardigen.

V: Wat betekent het gezamenlijke technologiecontract voor de technologieën voor de productie van koolstofvezels?

A: De koolstofvezelproductietechnologieën van de toonaangevende producenten zijn gebundeld in één enkele overeenkomst, waardoor de processen voor de productie van koolstofvezels zijn geautomatiseerd.

V: Waarin verschillen hoogwaardige koolstofvezels van andere soorten?

A: Net als andere vezels onderscheiden hoogwaardige koolstofvezels zich door hun koolstofgehalte, sterkte en moduluseigenschappen. Hierdoor presteren ze beter dan standaardvezels bij uitdagendere toepassingen.

V: Wat is de geschiedenis achter de eerste gloeilamp en de connectie met koolstofvezels?

A: Edison vond de eerste gloeilamp uit met behulp van koolstoffilamenten, die extreem belangrijk waren voor de evolutie van koolstofvezels. De huidige koolstofvezels zijn echter aanzienlijk anders in zowel structuur als samenstelling. Gebaseerd op filamentaire koolstofstructuren, zijn koolstofvezels veel geavanceerder geworden.

V: Wat zijn volledig koolstofvezelfilamenten en wat zijn hun toepassingen?

A: Filamenten van 100% koolstofvezels zijn gemaakt van koolstofvezels die vanwege hun unieke structurele eigenschappen speciale toepassingen hebben in de productie van onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en geavanceerde sportartikelen.

Referentiebronnen

1. Kop: KOOLSTOFVEZELVERSTERKTE ALUMINIUMCOMPOSIETMATERIALEN

Auteur: Keiichi Kuniya et al.

Publicatiejaar: 2017

Samenvatting: De focus van dit artikel betreft de studie van composietmateriaal versterkt met koolstofvezels en een matrix die is gemaakt van aluminium met ingebedde koolstofvezels met een treksterkte die hoger is dan de matrix zelf. Het onderzoek wijst op de ontwikkeling van een carbidefase in de interfase tussen koolstofvezels en de aluminiummatrix van het composiet, wat op zijn beurt de binding en andere composieteigenschappen versterkt (Kuniya et al., 2017).

2. Kop: KOOLSTOFVEZELVERSTERKT KOOLSTOFCOMPOSIET EN PRODUCTIEPROCES DAARVAN

Auteurs: niet gedefinieerd

Publicatiejaar: 2017

Samenvatting: Deze studie draagt ​​bij aan de technische literatuur over koolstofvezelversterkte koolstofcomposieten met een bijzondere nadruk op elastische prestaties, zoals de longitudinale buig-elastische modulus. Het artikel beschrijft de toepassing van composieten van koolstofvezel op koolstofvezels voor een betere mechanische sterkte en om de effecten van kromtrekken, breuken en andere schade veroorzaakt tijdens het werken te minimaliseren (CARBON FIBER REINFORCED CARBON COMPOSITE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME FIELD OF INVENTION, 2017).

3.Titel: Structuur van actieve koolstofvezels en proces voor de productie ervan

Auteurs: Niet gespecificeerd

Publicatiejaar: 2017

Samenvatting: Deze productiemethode die pekvezels combineert met de voorlopervezels van koolstofvezel beschrijft de vezelstructuur van een geactiveerd koolstofcomposiet. Een uniek kenmerk van de vezelstructuur waarbij geactiveerde behandeling de eigenschappen, apparaten en materialen van de pekkoolstofvezel en vele andere gebieden kan verbeteren (ACTIVATED CARBON FIBER STRUCTURE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME BACKGROUND OF THE INVENTION, 2017).

4. Toonaangevende leverancier van koolstofvezelbewerkingsdiensten in China