A szénszálas kompozitok számos izgalmas felhasználása és alkalmazása

 

Mik azok a szénszálas kompozitok?

A kompozit anyagok polimer gyantába kapszulázott erősítőszálból állnak. Számos gyantakészítményt és száltípust használnak a kompozitokban, de a szénszál számos nagy teljesítményű termékben megtalálható komponensként kiemelkedik. Azokban az alkalmazásokban, ahol a súlycsökkentés és a nagy szilárdság kialakítása az elsőbbséget élvezi, a szénszál az erősítés választása számos fejlett kompozit szerkezetben.

 

A szénszál megtalálható a kompozit szerkezetekben, ahol a szilárdság és a könnyű súly előnyt jelent; megtalálható a csúcskategóriás-sportkocsikban, versenyautókban, nagy-teljesítményű hajókban, repülőgépekben és űrhajókban, orvosi felszerelésekben és sportfelszerelésekben, beleértve a síléceket, snowboardokat, teniszütőket, golfütőket és több száz egyéb termékben.

 

A szénszálas kompozitok alkalmazása gyorsabb ütemben növekszik, mint az általános gazdaság, mivel növekszik a könnyűsúlyú, fejlett kompozit szerkezetek iránti igény. A közgazdászok az iparági lehetőségek jelentős növekedését jósolják a technológia fejlődésével és az alkalmazások növekedésével. Érdekli, hogy a szénszálas kompozitok hogyan hoznak létre nagy-teljesítményű termékeket, vagy hogy ez a súlycsökkentésen keresztül az energiamegtakarításban betöltött szerepe-? Tudjon meg többet a szénszál felhasználásáról, és arról, hogyan vehet részt a kompozit technológia jövőjében.

 

Mi az a szénszál?

A szénszál, más néven grafitszál, egy erős, könnyű anyag, amely több száz egyedi szénszálból készül, amelyek nyolcszor vékonyabbak az emberi hajszálnál. A filamentumok szénatomokból állnak, amelyek hosszú láncokban kötődnek egymáshoz. Súlyukat tekintve a szénszálas kompozit ötször erősebb, mint az acél, és kétszer olyan merevebb, ami a nagy szakítószilárdsága miatt következik be.

Hogyan készül a szénszál?

A szénszálak a poliakrilnitril (PAN) néven ismert akril{0}}alapú műanyaggal kezdődnek. Egy több-lépéses folyamat a poliakrilnitril (PAN) szálak melegítésével és szálakká fonásával kezdődik. Ezeket a filamenteket ezután még magasabb, 3000 F körüli hőmérsékletre hevítik, oxidáción és karbonizálódáson mennek keresztül, ami eltávolítja a nem-szénelemeket, és a szénatomokat szorosan-tömött kristályokká rendezi. A keletkező szénszálakat ezután felületkezelésnek vetik alá, kötegekké állítják össze, és tekercsbe tekerik. Ezeket a szálakat ezután vagy nagyobb kötegekbe csoportosítják, úgynevezett szén "kócokba", vagy szövetekké szövik.

 

Hogyan használják a szénszálat?

A szénszálas kóc vagy szövött szövet szálait polimer gyantával, például epoxigyantával telítik, és formává formálják. A kikeményedett gyanta bekapszulázza a szénszálakat, és merev mátrixot hoz létre a termék kívánt alakjában. A gyantamátrix (epoxi) és az erősítőszál (szén) kombinációja kompozit anyagot hoz létre. A szénszál erősítésű kompozitok jellemzői a könnyű súly, a merevség és a nagy szakítószilárdság.

 

A szénszál hajnala

A szénszál története a 19. század végére nyúlik vissza, amikor Thomas Edison szénszálakat használt izzószálként a korai izzókísérletekhez. A szénszálakat azonban csak az 1950-es években gyártották nagy szilárdságú anyagként.

A szénszálat kompozit komponensként 1958-ban kezdték el használni. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, működőképes szénszálakat hozott létre úgy, hogy a műselyemszálakat körülbelül 3000 °F-ra hevítette, amíg elszenesedtek. Ez az eljárás volt a modern szénszál-előállítási módszer előfutára. Az 1960-as években a Union Carbide által kifejlesztett eljárással először gyártották kereskedelmi forgalomba a szénszálakat. Felismerték a szénszálakban rejlő lehetőségeket kompozit erősítésként, és a Rolls Royce elkezdte beépíteni őket a sugárhajtómű-alkatrészekbe.

Az 1970-es években a repülőgépipar a kompozit technológia fejlődését hajtotta végre, és a szénszál alkalmazásai jobban dokumentáltak és kifinomultabbak lettek. A verseny arra irányult, hogy ezt a technológiát olyan szerkezeteken alkalmazzák, ahol fontos volt a súly csökkentése és a szilárdság növelése. Mivel a nyers szénszál többe kerül, mint a többi szálerősítés, alkalmassá vált a kritikus alkalmazásokhoz, ahol a költség másodlagos volt a teljesítményhez képest.

Az 1980-as években jelentős fellendülés következett be a szénszálas kompozitok terén, amikor ezek az anyagok elkezdtek bejutni a sportszeriparba. A sílécek, a snowboardok, a teniszütők, a golfütők, a horgászbotok és a kerékpárvázak karbonszálas alkatrészeket kezdtek felszerelni könnyű és -szilárdságuk miatt. A kereskedelmi szektorban az autó-, autóverseny- és tengeri ipar elkezdett kísérletezni szénszálas anyagokkal a jármű tömegének csökkentése és a teljesítmény javítása érdekében. Ezzel egyidejűleg a repülési és védelmi alkalmazások továbbfejlesztették a szénszálas kompozitok legmagasabb teljesítményű alkalmazásokban való alkalmazásának mérnöki tudását-.

Az 1990-es évekre a szénszálas kompozitok használata nőtt, ahogy a gyártók megtalálták a módját a költségek csökkentésének és a szénszálak minőségének javításának. Ez szélesebb körű alkalmazásokhoz vezetett, többek között az építőiparban és a szélenergia-ágazatban.

A szénszál, mint kompozit alapanyag a 2000-es évekre vált általánossá. Ez az anyag már nem korlátozódott a csúcskategóriás-alkalmazásokra, hanem számos iparágban használták, a fogyasztói elektronikától az infrastruktúráig. A következő két évtized során a fejlett kompozitokat egyre nagyobb horderejű{4}}alkalmazásokban használták, mint például a Boeing 787 és az Airbus A350 repülőgépek. Az autóipar az autóversenyzések által ihletett kompozit technológiát alkalmazta, és minden típusú csúcskategóriás{9} hajó karbon kompozitot használ elsődleges szerkezetként. Az olyan mérnöki eszközök megjelenése, mint a végeselem-elemzés és a számítási folyadékdinamika, folyamatosan{11}}növekvő teljesítményt és alkalmazásokat eredményez ezeknél a kompozit anyagoknál.

 

A szénszál néhány igazán klassz alkalmazása

Manapság rendszeresen jelennek meg alkalmazások szénszálas kompozitok számára. Míg korábban a szénszál egzotikus és drága volt, ma már számos iparágban és termékben találhat szénszálat, például:

 

Tengeri

A szénszálas kompozitok évtizedek óta a nagy teljesítményű{0}}versenyjárművek alappillérei. Az America's Cup hajói példák arra, hogy a technológiát a végsőkig vigyék, szénszálas szerkezetükkel, amelyek a repülőgépgyártással vetekednek. A gyártóhajók egyre inkább integrálják a szénszálat a vákuum-infúziós feldolgozásba azzal a céllal, hogy könnyebb és gyorsabb járművet állítsanak elő.

 

Autóipar

A szénszálakat egyre inkább alkalmazzák az autógyártásban. Ezeket az anyagokat először a Forma-1-ben és az Indy-autókban használták, amelyek a repülőgép-technológia korai alkalmazói voltak. Ezt követően az egzotikus csúcskategóriás{3}sportkocsikig terjedt, és jelenleg a sorozatgyártású autókba kerül. A „könnyítés” az autóipari tervezés egyik fő célja a teljesítmény javítása és a környezeti hatások csökkentése érdekében. A NASCAR nemrégiben tért át a kupasorozatú autók kompozit karosszériájára. Ezek az új karosszériák olyan keménynek bizonyultak, hogy megváltoztatták a versenyzés stílusát, mert az autók elviselik a nagyobb visszaéléseket.

 

Szállítás

A teherszállító ipar évtizedek óta használ kompozit alkatrészeket az aerodinamika és az üzemanyag-fogyasztás javítására. A nehéz teherautó-tervezésben forradalom zajlik, amely jelentősen javítja az aerodinamikát és csökkenti a tömeget. Ezek az újítások a kompozit alkatrészeken és az aerodinamikai ellenállás csökkentését célzó tervezésen alapulnak. Becslések szerint az elegáns, könnyű kompozit alkatrészekből készült új kialakítások akár évi 50 milliárd dolláros üzemanyag-megtakarítást is eredményezhetnek.

 

Repülőgép, repülés és védelem

A kereskedelmi repülőgépek, katonai repülőgépek, hordozórakéták és orbitális űrhajók spektrumát áttekintve a szénszálas kompozitok egyre fontosabb szerepet játszanak a teljesítménycélok teljesítésében. A kompozitok tervezése jól fejlett ezeken a területeken, és a folyamatban lévő innovációkat rendszeresen bejelentik. Hatalmas mennyiségű szénszálat különítettek el minősített katonai és védelmi fejlett technológiai projektekhez. A kereskedelmi színtéren több tucat függőleges felszálló-elektromos repülőgép (VTOL) kapnak tanúsítványt vagy fejlesztés alatt állnak. Ezen új repülőgépek mindegyike szén-kompozitokat használ elsődleges szerkezeti anyagként.

 

Sportszerek

A szénszálas kompozitok erőssége és könnyű súlya miatt a sportszerek világában megtalálhatók. Ide tartoznak a jégkorongütők, teniszütők, íjászíjak, golfütők és horgászbotok, sílécek, snowboardok, wakeboardok, sárkánydeszkák és fóliadeszkák. Mindegyik szénszálat használ, valamint evezős kagylót és kerékpárt.

 

Gyógyszer

Az orvostudomány egy másik iparág, ahol a szénszálak jelentős hatást gyakoroltak az elmúlt években. A szénszál átlátszó a röntgenfelvételeken, ezért a röntgen- és képalkotó berendezések széles skálájában alkalmazzák. Szénszálat használnak a végtagprotézisekben is, amelyek erősek, könnyűek, és kényelmes viseletet és használatát.