Історія вуглецевого волокна

Історія вуглецевого волокна

Електрика, лампочки, Едісон і бекон

Вуглецеве волокно вперше було використано в 1860 році для створення дуги між двома зарядженими провідними вуглецевими стрижнями. Тоді електрика була трохи цирковим шоу, а вуглецеве волокно, як його називали, не мало нічого спільного з високопродуктивними функціями, які ми знаємо сьогодні. Проте термостійкість і електропровідність вуглецевих волокон використовуються в освітленні, таким чином допомагаючи знайти будівельні блоки, які утворюють вуглецеві волокна шляхом «піролізу». У 1879 році Томас Едісон використав піроліз для виробництва ниток з вуглецевого волокна, які потім використовувалися як електроди всередині першої електричної лампочки. Ці нитки, отримані з домішок у спалених бавовняних і бамбукових волокнах, зрештою стають справжніми вуглецевими волокнами, які проводять електрику.

Лише в 1958 році фізик Роджер Бекон виготовив перші високоефективні вуси з вуглецевого волокна за допомогою процесу піролізу. Вивчаючи плавлення графіту під високою температурою та тиском, Бекон виявив хімічний механізм гексагональної структури, армованої вуглецевим волокном. Ця багата вуглецем структура потім множиться, формується в лист і безперервно згортається по всій довжині волокна. Вуса Бекона виробляють найжорсткіші та найміцніші волокна, відомі у світі. Через кілька років Бекон випустив комерційний продукт, використовуючи прекурсор на основі віскози. Механічні можливості вуглецевого волокна нарешті закріплюються. Однак вартість виробництва цього відкриття була астрономічної. Щоб бути живим,

Pitch and Pan

У 70-х роках творчі властивості вуглецевого волокна почали реалізовуватися в промислових умовах. Леонард Сінгер відкрив вуглецеві волокна на основі "смоли", вивчаючи карбонізацію матеріалів на основі нафти та вугілля. Бітум — це смолоподібна речовина, що утворюється шляхом нагрівання нафти (нафти) до речовини з високим вмістом вуглецю. Розтягуючи молекули пеку та обробляючи їх за високих температур, вони організовуються у висококристалічні вуглецеві волокна. Поява вуглецевих волокон на основі смоли призвела до надвисокого модуля (жорсткості) і високої теплопровідності, які необхідні для застосувань, які піддаються впливу високих температур усередині літака. Незважаючи на те, що обробка є дуже дорогою, вуглецеві волокна Singer на основі пеку знаходять застосування в умовах високих температур.

Тим часом японський учений Акіо Шіндо розширив дослідження вуглецевого волокна в Японії, використовуючи високочисту форму поліакрилонітрилу (PAN) на основі нафти. PAN, найпоширеніший на сьогоднішній день попередник вуглецевого волокна, забезпечує високий рівень кристалічності всередині волокна, але є міцнішим, ніж коли-небудь у вуглецевих волокнах на основі смоли або віскози. Процес прекурсора PAN від Shindo також є більш економічно ефективним у виробництві високоякісних вуглецевих волокон, ніж волокна на основі пеку або віскози.

увійти в мейнстрім

Протягом 1980-х і 1990-х років тепер чітко визнається глобальна перспектива авіаційного та аерокосмічного застосування від уряду до комерційних клієнтів. Це призвело до експоненційного зростання варіантів вуглецевого волокна для цих галузей. Це пов’язано з тим, що значне зменшення ваги літака призводить до підвищення продуктивності та паливної ефективності літака та навіть компонентів двигуна. Інженери почали працювати над легкими, міцнішими та швидшими концепціями. Зараз розробляються запасні частини з використанням вуглецевого волокна для заміни деталей зі сплавів на основі сталі та алюмінію. Однак вуглецеве волокно є складним матеріалом для механічної обробки порівняно з методами субтрактивної обробки, колись відомими для виготовлення металу. З часом, витраченим на вивчення та розуміння методів виробництва вуглецевого волокна, кількість металевих частин зменшилася, і вони стали менш поширеними в кожному новоствореному літаку. У міру розвитку методів виробництва розвивається і виробництво самих волокон. Усе це призвело до буму цієї форми чорного золота, що підвищило попит.

Завдяки своїм покращеним виробничим і технологічним властивостям вуглецеве волокно зараз широко використовується в промислових галузях у всьому світі. Постійне збільшення більш високого вмісту вуглецю, який у деяких випадках перевищує 90 відсотків вуглецю, поділяє переваги підвищеної міцності та є більш економічно ефективним для ринку. Завдяки удосконаленням у техніці та технологічному контролі вартість вуглецевого волокна значно знизилася. Використання вуглецевого волокна вийшло за рамки аерокосмічних застосувань і тепер є життєздатним рішенням для різноманітних галузей, включаючи автоспорт, катання на човнах, спортивні товари, будівництво та навіть меблі. П'ятдесят років тому ніхто не думав мати стіл з вуглецевого волокна. Навіть виробництво такої кількості сирого вуглецевого волокна коштувало б мільйони доларів. Сьогодні застосування вуглецевого волокна обмежене лише нашою людською уявою.