Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno o průměru 6 μm v porovnání s lidským vlasem.

Uhlíkové vlákno je název pro vlákno obsahující uhlík v různých modifikacích. Jedná se o dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5 – 8 μm složeného převážně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Krystalové uspořádání způsobuje, že vlákno je na svou tloušťku velmi pevné. Hustota vlákna je asi 1750 kg/m³. Několik tisíc uhlíkových vláken, která jsou smotána, tvoří společně přízi, která může být použita samotná nebo vetkána do tkaniny.

Uhlíková vlákna se též používají při výrobě kompozitních materiálů, které vynikají vysokou pevností a nízkou hmotností.

Vzhledem ke svým vlastnostem (pevnost, malá hmotnost, nehořlavost, dobrá elektrická vodivost, nízká tepelná vodivost) se tato vlákna uplatňují ve strojírenství, leteckém průmyslu, v kosmonautice a v řadě dalších oborů.

[editovat] Výroba

Surovina používaná k výrobě uhlíkových vláken se nazývá prekurzor. Asi 90% uhlíkových vláken je vyrobeno z polyakrylonitrilových vláken (PAN). Zbývajících 10% je vyrobeno z viskózových vláken nebo jsou vyrobena ze smol dehtu, které jsou zbytky po krakování ropy.

Všechny tyto materiály jsou organické polymery, které jsou charakteristické dlouhými řetězci molekul spojených atomy uhlíku. Přesné složení každého prekurzoru se u jednotlivých výrobců liší a je považováno za výrobní tajemství.

Výroba vláken z viskózy má výtěžek uhlíkových vláken pouze 20 - 25 %, výroba z polyakrylonitrilových vláken má výtěžek 45 - 50 % a nejvýhodnější je výroba ze smol, kde je výtěžek 75-80 % a navíc lze připravit vysoce orientované struktury.

Z prekurzorů se uhlíková vlákna vyrábějí řízenou pyrolýzou.

[editovat] Postup:

1. Příprava prekurzoru – úprava výchozího materiálu buď taveným zvlákňovánim nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivni strukturu a pevnost uhlíkových vláken. Vlákno je pak taženo do požadovaného průměru.
2. Stabilizace – před karbonizací je třeba, aby z dlouhých uhlíkových vláken vznikla teplotně stabilní zesítěná struktura. Provádí se na vzduchu zahřátím na poměrně nízké teploty 200 - 450°C na 20 – 30 minut. To způsobí, že vlákno sbírá kyslíkové molekuly ze vzduchu a dojde tak k přerovnání atomové struktury vlákna. Při stabilizaci vzniká ve vlákně také vlastní teplo, které musí být kontrolováno, aby se zabránilo přehřívání vlákna. V praxi se někdy používá tažení vlákna skrze řadu zahřívaných komor nebo vlákno prochází přes rozehřáté válce a sypké materiály, které odebírají přebytečné teplo.
3. Karbonizace – jedná se o převod prekurzoru na uhlíková vlákna. Provádí se v inertní atmosféře (obyčejně dusíkové), při teplotách mezi 1000 °C – 2000 °C. Bez přístupu kyslíku vlákno nemůže hořet. Místo toho způsobí vysoká teplota rozkmitání atomů ve vlákně tak, že většina neuhlíkových atomů je odstraněna. Výsledné vlákno obsahuje 85 - 95 % uhlíku
4. Grafitizace – nemusí se provádět, pokud se provede vznikají tzv. grafitová vlákna. Provádí se v inertní atmosféře, při teplotách mezi 2400 °C - 3000 °C. Dochází ke zvýšení obsahu uhlíku na cca 99 % a více. Vzniká také uspořádaná vrstevnatá struktura.
5. Povrchová úprava – povrch vlákna dobře neváže epoxidy a další látky používané v kompozitních materiálech. Proto se povrch vlákna mírně oxiduje. Přidání kyslíkových atomů na povrch umožňuje lepší přilnavost dalších látek a zhrubnutí povrchu pro lepší mechanické spojení s těmito látkami. Okysličení může být dosaženo přístupem plynů jako je vzduch, oxid uhličitý, nebo ozon nebo ponořením do různých kapalin jako chlornanu sodného nebo kyseliny dusičné. Vlákno může být také pokryto elektrolyticky elektricky vodivými materiály. Povrchová úprava musí být provedena opatrně, aby nedošlo k povrchovému poškození vlákna.
6. Vinutí - po povrchové úpravě je vlákno pokryto ochrannou vrstvou proti poškození při vinutí a proplétání. Materiály používané k pokrytí jsou většinou epoxidové pryskyřice, polyester, nylon, uretan. Vlákno se pak vine na válce zvané vřetena. Z nich je pak vedeno do spřádacího stroje a vlákna jsou překroucena do přízepřízí různých průřezů.

Uhlíkové vlákno zahřívané při teplotách 1000 - 2000 °C (při karbonizaci) získává nejvyšší pevnost v tahu (asi 5 650 MPa), zatímco vlákno zahřívané na teploty 2 400 k 3 000 °C (při grafitizaci) získává vyšší modul pružnosti v tahu (asi 531 GPa).

Výrobou je možné získat celou řadu vláken od vysoce pevných, s vysokým modulem pružnosti, středním modulem pružnosti a extrémně vysokým modulem pružnosti.

• Vlákna typu HS (vysoce pevná) mají pevnost 4 - 7 GPa, tažnost 1,7-2,4 % a modul pružnosti 235-300 GPa.
• Vlákna typu HM (s vysokým modulem pružnosti) mají pevnost 1,9 - 3,6 GPa, tažnost 0,4 - 0,7 % a modul pružnosti 350 - 540 GPa.
• Vlákna typu IM (se středním modulem pružnosti) mají pevnost 3 - 4 GPa, tažnost 1,3 - 1,6 % a modul pružnosti 230 - 300 GPa.
• Vlákna typu SHM (s extrémně vysokým modulem pružnosti)) mají modul pružnosti 500 – 1 000 GPa

[editovat] Použití uhlíkových vláken

Uhlíkové vlákno je nejvíce používané k vyztužení kompozitních materiálů, zvláště u materiálu známého jako uhlíkový laminát. Tento druh materiálu se používá při výrobě částí letadel, závodních vozidel (Formule 1), sportovního vybavení jako jsou závodní kola, listů větrných generátorů, a dalších součástí, které jsou hodně mechanicky namáhány.
Také nepolymerické materiály mohou být použity jako matrice pro uhlíková vlákna. Kvůli vytváření kovových karbidů (např. ve vodě rozpustného karbidu hliníku), špatné smáčivosti s některými kovy, a možnosti koroze, se však uhlíková vlákna v kovových matricích používají omezeně. Tyto problémy mohou být částečně odstraněny povrchovou úpravou uhlíkových vláken, například napařením boridu titanu při výrobě uhlíko-hliníkového kompozitu.
Další z kompozitů uhlík-uhlíkový laminát se používá jako ochrana nosové části a náběžných hran křídel amerických raketoplánů.
Uhlíková vlákna nacházejí též uplatnění u ozbrojených složek (výroba neprůstřelných vest), při výrobě hudebních nástrojů, membrán reproduktorů.
Uhlíkové vlákno se také používá v textilní výrobě (viz článek Polyakrylnitrilová vlákna)

[editovat] Zdroje

Tento článek je zčásti nebo zcela založen na překladu článku Carbon fiber na anglické Wikipedii. Číslo revize nebylo určeno.

[editovat] Další zdroje

• skripta.ft.tul.cz/data/2004-12-16/09-21-02.ppt
• http://www.zoltek.com/carbonfiber/

[editovat] Externí odkazy

anglicky

• Working with Carbon fiber for Robotics and R/C Aircraft
• Carbon Fiber in Formula One
• The Chemistry of Carbon Fiber
• Making Carbon Fiber
• Carbon Fiber Examples