Увлекательная история углеродного волокна: кто изобрел этот высокопроизводительный композит?

Современная эпоха стала свидетелем появления многих замечательных материалов, но немногие из них столь же исключительны, как углеродное волокно. Оно не имеет себе равных по соотношению прочности к весу, отличается превосходной долговечностью и устойчивостью к коррозии. Такие промышленные виды деятельности, как аэрокосмическая, автомобильная и даже спортивная, стали зависеть от него, и все же происхождение углеродного волокна часто игнорируется. История углеродного волокна весьма увлекательна. Цель этой статьи — пролить свет на изобретение углеродного волокна, его первоначальное применение и его эволюцию как высокопроизводительного композита сегодня. Понимание истории углеродного волокна также дает представление о том, как оно продолжает стимулировать инновации в области машиностроения.

Кому приписывают изобретение углеродного волокна?

Революционное открытие Роджера Бэкона в 1958 году

Самую модернизированную форму углеродных волокон можно отнести к физику Роджеру Бэкону, который работал в Техническом центре Пармы компании Union Carbide в 1958 году и провел предварительную работу для отрасли. Продажа углеродных волокон впервые возникла во время исследований Бэкона и включала выращивание графитовых усов в угольной дуге. Волокна, произведенные в то время, представляли собой замечательную ценность, поскольку их прочность на разрыв и жесткость намного превосходили все остальное, что существовало в то время. Эти усы, хотя и небольшие по размеру, демонстрировали исключительные свойства, показывая приближения модуля упругости 700 ГПа вместе с прочностью на разрыв 20 ГПа, прекрасно демонстрируя, насколько полезным может быть углерод в передовых применениях материалов. С Orderous Cane органическое грамм-фракционирование высоты водяного столба создало старейшую техническую основу, позволяющую создавать полиморфные углеродные волокна.

Вклад Union Carbide в эволюцию углеродного волокна

Union Carbide синтезировала органические соединения, которые помогли в развитии шага, который не был сделан, пока углеродные волокна все еще были концепцией в академическом мире. Файлы работы Бэкона оказались достаточными для Union Carbide, чтобы уменьшить свои потоки доходов при тестировании в очень малых масштабах. Для того, чтобы индустриализировать технологию углеродного волокна, компании нужен был поставщик углеродного волокна. Вот почему Куюшин как сделал возможным производство тонких нитей из полученного исходного фильтра из вискозы после пиролиза волокон при температурной обработке волокон. Он охотно захватил рабочие части Unstorm, добавив к поставленным целям гарантированные им ошибки тестирования. Это были первые попытки использования фильтра из вискозы в богатой углеродом структуре, имеющей решетку, более приспособляемую.

Другие ключевые участники технологии углеродного волокна

Углеродное волокно также было усовершенствовано и коммерциализировано другими лицами и учреждениями, помимо Роджера Бэкона. В 1960-х годах, когда Королевское авиационное предприятие (RAE) и Rolls Royce разрабатывали технологии в Великобритании, был достигнут значительный прогресс. Усилия были направлены на использование полиакрилонитрила (ПАН) в качестве прекурсора и привели к получению волокон с улучшенными механическими и прочностными свойствами, некоторые из которых превышали 2 ГПа, а модули были около 200 ГПа. Кроме того, Toray Industries и многие другие компании в Японии сыграли важную роль в повышении производственных мощностей материала путем интеграции новаторских методов массового производства без ущерба качеству.

Благодаря этому вкладу исследователей, компаний и правительств углеродное волокно смогло выйти за рамки лабораторного любопытства и превратиться в один из самых ценных и многофункциональных материалов в современной технике.

Каково было изначальное предназначение углеродного волокна?

Упоминания об углеродном волокне можно проследить до 19 века, когда Томас Эдисон использовал его в своей лампе накаливания, используя бамбук в качестве нити. Это позволило проверить прочность углеродных материалов при высоких температурах. К сожалению, эти волокна были слабыми и не могли быть применимы в современном обществе.

Середина 20 века ознаменовала время, когда углеродное волокно стало высокопрочным материалом. В 1960-х годах Королевское авиационное предприятие в Великобритании производило углеродные нити, которые обладали улучшенной прочностью на разрыв, жесткостью и полиакрилонитрилом. Эти нити были способны выдерживать до 1,000 МПа, а модуль Юнга составлял от 200 до 400 ГПа. Благодаря этим достижениям стало возможным использование углеродного волокна в авиационной технике.

Современные отрасли промышленности демонстрируют вдохновляющий переход от изобретений Эдисона к современному использованию углеродного волокна, что подчеркивает непревзойденное соотношение прочности и веса углеродного волокна. Современные углеродные волокна имеют поразительную текучесть более 5,000 МПа и модули Юнга в диапазоне 250-1000 ГПа в зависимости от их марки. Сегодня высокопроизводительные углеродные волокна производятся с удивительной точностью. Использование углеродных волокон на основе пека еще больше расширило их применимость в структурных, тепловых и электрических областях, таких как ветряные турбины, спортивное оборудование и даже медицинские приборы, а также легкие композитные материалы для спутников, автомобилей и самолетов.

Разработка высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон на основе пека подняла планку эксплуатационных характеристик углеродных волокон на основе пека, что позволило расширить их применение в термической, структурной и электрической областях.

Как со временем изменилось производство углеродного волокна?

Ранние методы производства с использованием волокон на основе вискозы

В середине 20 века волокна, полученные из вискозы, стали использоваться для производства углеродного волокна. Эти волокна подвергались воздействию высоких температур, чтобы образовать богатое углеродом вещество. Хотя эта технология была новаторской в ​​своем роде, она давала волокна с непоследовательными параметрами, низкой прочностью и ограничениями по применению по сравнению с нынешними возможностями.

Введение в прекурсоры полиакрилонитрила (ПАН)

1960-е годы ознаменовались существенным улучшением технологий производства углеродного волокна с введением прекурсоров полиакрилонитрила (ПАН). Волокна ПАН позволили полиакрилонитрилу базироваться на превосходных структурах, где можно было производить многочисленные прочные волокна. Более того, углеродные волокна, созданные из этих органических волокон, обладали высокой прочностью на разрыв и были однородными по всей длине. Благодаря этому сдвигу стало возможным удовлетворение потребностей аэрокосмической и оборонной промышленности.

Современные технологии производства углеродного волокна

Сегодня передовые технологии, автоматизирующие процессы производства композитов из углеродного волокна, такие как стабилизация, карбонизация и графитизация, являются нормой. Это снижает количество вариаций, одновременно увеличивая простоту масштабирования. Более того, успехи в усилиях по переработке позволяют внедрять более устойчивые методы в отрасли.

Каковы основные вехи в истории углеродного волокна?

Основополагающее открытие Роджера Бэкона в Union Carbide в 1958 году часто считается основой индустрии углеродного волокна и ее последующих разработок в этой области. Впервые Бэкону удалось создать высокопрочные, высокомодульные волокна с использованием нагретой графитовой нити новым экспериментальным способом. Новые волокна обладали невероятными механическими свойствами и могли похвастаться замечательной прочностью на разрыв и жесткостью, что стало результатом замечательно выровненной архитектуры кристаллов графита. В частности, модуль упругости на разрыв составлял около 20 миллионов фунтов на квадратный дюйм, а предел прочности на разрыв — около 200,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм, что является невероятно впечатляющими показателями для любого материала.

Одного этого достижения было достаточно, чтобы Американское химическое общество присудило ему награду National Historic Chemical Landmark и заложило основы современной индустрии углеродного волокна. Помимо этой важности, открытия Бэкона привели к революции в аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также в других передовых областях машиностроения, где требуются легкие и прочные материалы для критически важных конструкций.

Каковы свойства углеродного волокна по сравнению с другими материалами?

Прочность на разрыв и легкие характеристики

Углеродное волокно является одним из самых прочных промышленных материалов и значительно легче по сравнению с такими материалами, как сталь и алюминий. Его предел прочности на разрыв может достигать от 250,000 800,000 до 1.6 7.8 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от типа и метода производства. В отличие от обычных материалов, плотность углеродного волокна составляет приблизительно XNUMX г/см³, что резко контрастирует с XNUMX г/см³ стали. Это исключительное соотношение прочности и веса является причиной того, что углеродное волокно является материалом выбора в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где необходимо снизить вес конструкции.

Теплопроводность и другие физические свойства

Несмотря на то, что углеродное волокно может похвастаться замечательными механическими свойствами, его теплопроводность ограничена типом волокна и ориентацией. Обычно она находится в диапазоне от 5 Вт/м·К до 1000 Вт/м·К для специализированных вариантов с высокой проводимостью. В отличие от металлов, таких как алюминий (который имеет значение почти 237 Вт/м·К), композиты из углеродного волокна обычно служат теплоизоляцией благодаря смоляной матрице. Другие включают высокий модуль упругости, который составляет от 20 миллионов до 50 миллионов фунтов на квадратный дюйм, и большую усталостную прочность. Эти свойства позволяют ему надежно работать в динамических и экстремальных условиях, тем самым расширяя его применение для использования в передовой технике.

В каких отраслях промышленности углеродное волокно произвело революцию?

Аэрокосмическая и автомобильная промышленность

Аэрокосмическая и автомобильная отрасли преобразились с появлением углеродного волокна, учитывая его непревзойденное соотношение прочности и веса. Для аэрокосмической отрасли этот материал является ключевым для минимизации веса самолета без ущерба для прочности конструкции, что оптимизирует расход топлива и максимизирует грузоподъемность. Например, композиты из углеродного волокна используются в фюзеляже и крыльях самолета, где предел прочности на разрыв составляет около 600 ksi. Аналогичным образом, автомобильная промышленность может использовать преимущества углеродного волокна в высококлассных суперкарах, особенно когда речь идет о каркасе кузова и жестких частях шасси, где улучшены ускорение, торможение и общие эксплуатационные характеристики автомобиля. Его высокий модуль упругости, до 50 миллионов фунтов на квадратный дюйм, гарантирует надежность при пульсирующих динамических напряжениях и ударах.

Спортивное оборудование и товары народного потребления

Композит из углеродного волокна широко используется в спортивной и развлекательной индустрии из-за его легкого веса и жесткости. Он используется в велосипедах, теннисных ракетках, клюшках для гольфа и удочках. Например, рама велосипеда из углеродного волокна может весить менее 1 кг, имея предел прочности на разрыв 500 ksi, обеспечивая непревзойденную скорость и ловкость. Аналогичным образом углеродное волокно используется в корпусах потребительских товаров, таких как ноутбуки и смартфоны, из-за его эстетической привлекательности и прочности без дополнительного веса. Эти свойства в сочетании помогают улучшить качество продукта без потери долговечности.

Использование в строительстве и инфраструктуре

Строительная отрасль адаптируется к использованию инновационных материалов, таких как углеродное волокно, которое сочетает в себе высокую прочность на разрыв и коррозионную стойкость. Растет его применение в укреплении бетонных конструкций, таких как мосты и здания, где требуется прочность в сочетании с легкостью. Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), используется для обертывания опорных балок и колонн, где допустимая нагрузка превышает 2000 МПа. Он также обладает стойкостью к деградации окружающей среды, что сохраняет прочность конструкции в экстремальных условиях. Поэтому углеродное волокно продолжает доминировать на современном рынке инфраструктуры с его потребностями в более длительном сроке службы и более низких затратах на обслуживание.

Какое будущее ждет технологию углеродного волокна?

Достижения в области композитов на основе углеродного волокна

Область материаловедения постоянно сталкивается с последними усовершенствованиями в технологии углеродного волокна, поскольку эти инновации служат для повышения производительности, устойчивости и эффективности. Последнее нововведение решает проблему стоимости путем производства гибридных композитов, которые объединяют углеродное волокно со стекловолокном или арамидом для оптимизации гибкости и ударопрочности. Кроме того, разрабатываются методы производства с использованием полиакрилонитрила (ПАН), которые еще больше снижают стоимость и потребление энергии, сохраняя при этом исключительную прочность на разрыв углеродного волокна, которая превышает 4000 МПа.

Новые возможности использования и инновации с потенциалом использования углеродного волокна

Углеродное волокно имеет много новых применений в некоторых областях, таких как устойчивое строительство, городские воздушные транспортные средства, лопасти ветряных турбин следующего поколения и т. д. Например, аэрокосмические термопластичные композиты могут использоваться в быстрых производственных циклах благодаря их передовым возможностям удержания тепла 400°F (204°C). Кроме того, углепластик востребован для производства энергии в ветряных турбинах с лопастями длиной более 100 метров из-за их меньшего веса и превосходной усталостной прочности.

С точки зрения экологии такой метод, как пиролизная переработка, демонстрирует потенциал в восстановлении волокон для повторного использования, сохраняя механическую прочность и обеспечивая циклический жизненный цикл для изделий из углеродного волокна. Эти достижения помогают решать технические проблемы, но, что еще важнее, они совпадают с растущей потребностью в устойчивых и эффективных материалах в промышленности по всему миру.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В: Кому приписывают открытие углеродных волокон?

О: Говорят, что сэр Хью Роберт Херст был пионером в изобретении углеродных волокон в 1950-х годах, которые легли в основу высокопроизводительных углеродных волокон, используемых нами сегодня.

В: Какие материалы являются сырьем для производства углеродных волокон на основе ПАН?

A: Основным сырьем для производства углеродных волокон на основе ПАН является полиакрилонитрил (ПАН), который впоследствии перерабатывается для производства высокомодульных волокон из ПАН-прекурсоров.

В: Почему углеродные волокна нашли применение во многих отраслях промышленности?

A: Углеродные волокна нашли применение в самых разных отраслях промышленности благодаря своей исключительной прочности и высокому модулю, что делает их полезными в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении и производстве спортивного инвентаря.

В: Какой вклад внесла жизнь Акио Синдо в развитие углеродных волокон?

A: Акио Синдо был одним из ведущих производителей ПАН-углеродных волокон в 1970-х годах, что значительно продвинуло разработку и внедрение углеродных волокон.

В: Как сегодня производится коммерческое углеродное волокно?

A: Сегодня коммерческие углеродные волокна производятся с использованием современных методов прядения и нагревания полиакрилонитрила (ПАН) для изготовления многих типов углеродных волокон и тканей.

В: Что означает совместный технологический контракт для технологий производства углеродного волокна?

A: Технологии производства углеродного волокна ведущих производителей были объединены в единое соглашение, которое автоматизировало процессы производства углеродных волокон.

В: Чем высокопроизводительные углеродные волокна отличаются от других типов?

A: Как и другие волокна, высокопроизводительные углеродные волокна отличаются содержанием углерода, прочностью и модульными свойствами, что позволяет им превосходить стандартные волокна в более сложных условиях применения.

В: Какова история первой лампы накаливания и ее связь с углеродными волокнами?

A: Эдисон изобрел первую лампу накаливания, используя углеродные нити, которые были чрезвычайно важны для эволюции углеродных волокон. Однако современные углеродные волокна значительно отличаются как по структуре, так и по составу. Основанные на нитевидных углеродных структурах, углеродные волокна были значительно усовершенствованы.

В: Что такое нити из полностью углеродного волокна и их применение?

A: Полностью углеродные волокна изготавливаются из углеродного волокна, которое находит особое применение в производстве компонентов аэрокосмической техники и современных спортивных товаров благодаря своим уникальным структурным свойствам.

Справочные источники

1. Рубрика: АЛЮМИНИЕВЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АРМИРОВАННЫЕ УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ

Автор: Кэйити Куния и др.

Год публикации: 2017 г.

Резюме: В центре внимания данной статьи находится изучение композитного материала, армированного углеродными волокнами и матрицей, которая сделана из алюминия с внедренными углеродными волокнами с прочностью на разрыв выше, чем у самой матрицы. Исследование указывает на развитие карбидной фазы на границе между углеродными волокнами и алюминиевой матрицей композита, что в свою очередь усиливает связь и другие свойства композита (Kuniya et al., 2017).

2. Заголовок: УГЛЕРОДНЫЙ КОМПОЗИТ, АРМИРОВАННЫЙ УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Авторы: не определены

Год публикации: 2017 г.

Резюме: Это исследование вносит вклад в техническую литературу по углеродным композитам, армированным углеродным волокном, с особым акцентом на упругие характеристики, такие как модуль упругости при продольном изгибе. В статье описывается нанесение композитов из углеродного волокна на углеродные волокна для лучшей механической прочности и минимизации эффектов коробления, трещин и других повреждений, вызванных во время работы (УГЛЕРОДНЫЙ АРМИРОВАННЫЙ ИЗ углеродного волокна КОМПОЗИТ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ В ТОЙ ЖЕ ОБЛАСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 2017).

3.Название: Структура активированного углеродного волокна и процесс его производства

Авторы: Не указаны

Год публикации: 2017 г.

Резюме: Этот способ производства, который объединяет пековые волокна с волокнами-предшественниками углеродного волокна, описывает структуру волокна композита из активированного угля. Уникальная особенность структуры волокна, активированная обработка которого способна улучшить свойства пекового углеродного волокна, устройства и материалы, а также многие другие области (СТРУКТУРА И ПРОЦЕСС АКТИВИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОГО ЖЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 2017).

4. Ведущий поставщик услуг по обработке углеродного волокна в Китае