Як зробити міцне вуглецеве волокно?
Спочатку лист волокна та інших полімерів нагрівається до дуже високої температури в просторі, вільному від кисню. Оскільки немає кисню, волокно не може горіти, а натомість стає настільки гарячим, що залишаються лише атоми вуглецю.
Далі вуглець стабілізується та карбонізується. Це включає в себе нагрівання стійкого до горіння вуглецю до високих температур на відкритому повітрі, потім його поміщення в піч, наповнену хімічними газами (але не киснем), і подальше приготування.
По-третє, лист охолоджують і занурюють у різні хімічні гази, включаючи кисень, щоб надати йому кращих властивостей зв’язування.
Нарешті, на лист наноситься покриття з епоксидної смоли, щоб захистити волокна від пошкодження під час виготовлення виробів. Склад покриття змінюється залежно від початкових матеріалів, які використовуються для волокна.
Це процес виготовлення одного аркуша з вуглецевого волокна, який є надзвичайно міцним будівельним матеріалом, але все ще може бути крихким і його легко зламати в деяких аспектах. Щоб дізнатися більше про те, як листи з вуглецевого волокна стають майже незламними, перегляньте розділ нижче «Чи легко ламається вуглецеве волокно?»
Важливо знати, що виготовлення міцного вуглецевого волокна - це надзвичайно складний процес, який точно неможливо виконати в домашніх умовах.
Чому вуглецеве волокно таке міцне?
Вуглецеве волокно є одним з найміцніших матеріалів на землі завдяки ланцюговим зв’язкам його молекул. Ця структура створюється під час усіх хімічних реакцій і екстремальних змін температури, через які проходить волокно під час виготовлення.
Процеси з’єднують разом тисячі маленьких ниток і змішують їх з епоксидною смолою. Ці нитки утворюють шар вуглецевого волокна, на міцність якого впливає точна орієнтація ниток і тип тканини, що використовується в шарі.
Один шар вуглецевого волокна зазвичай має товщину близько 0,25 мм і зовсім не дуже міцний. Насправді при такій товщині вуглецеве волокно дуже легко зламати. Це може суперечити тому, що ви знаєте про міцність вуглецевого волокна, але міцність створюється в процесі укладання кількох шарів, а також за допомогою орієнтації та переплетення волокон, також відомого як «укладання».
Молекулярна чистота вуглецевого волокна також допомагає йому розвивати структуру міцного зв’язку.
Чи легко ламається вуглецеве волокно?
Коротка відповідь: може, як описано вище. Чудова річ у вуглецевому волокні полягає в тому, що ви можете контролювати силу та напрямок сили. Наприклад, якщо ви хочете, щоб він був надміцним в одному напрямку та більш гнучким в іншому, ви можете зробити це за допомогою певного типу тканини та накладки.
Односпрямовані листи
Щоб пояснити, уявіть один із тих дерев’яних килимків, які використовуються для приготування суші. Килимок зроблений із зв’язаних між собою вузьких дерев’яних прутів, які йдуть паралельно один одному. Результатом є те, що килимок легко зігнути, якщо ви нахиляєтеся проти волокна. Однак, якщо ви згинаєте разом із волокнами, килимок не згинається легко, тому що це означало б фактичне згинання досить сильно, щоб зламати дерев’яні прути.
Листи з вуглецевого волокна складаються з ряду паралельних стрижнів, схожих на килимок для суші. Але в карбонових вудилищах виготовляються з обробленого волокна і набагато міцніші за деревину. Через це досить важко зламати лист вуглецевого волокна, якщо ви застосовуєте тиск у тому ж напрямку, що й стрижні. Один лист стрижнів, що рухаються в одному напрямку, схожий на тип тканини з вуглецевого волокна, який називається «односпрямованим», де всі волокна рухаються в одному напрямку.
А тепер уявіть, що ви склеюєте два килимки для суші один на інший, дерев’яні стрижні нижнього килимка йдуть в одну сторону, а стрижні верхнього килимка – в іншу сторону. Тепер килимки підтримують один одного і не дозволяють один одному згинатися в будь-якому напрямку.
З односпрямованим вуглецевим волокном, коли ви укладаєте шари матеріалу, ви можете контролювати напрямок міцності кожного шару. Цей контроль напрямку міцності є однією з переваг вуглецевого волокна. Використовуючи кілька шарів, ви можете зробити кінцевий продукт настільки міцним, наскільки вам потрібно для даного застосування.
Ткані листи
У тканих листах з вуглецевого волокна нитки сплетені разом, як нитки кошика, щоб краще триматися разом. Існує багато різних типів переплетень, які використовуються з різних причин. Це може бути естетично, або може бути легше обробляти певний тип матеріалу у формі, і/або він може мати більшу міцність у кількох напрямках. Типи тканини, що використовується, і орієнтація, яку вони розміщують для контролю міцності, є частиною розробки стратегії укладання.
Незалежно від типу плетіння, окремий аркуш тканого волокна все одно буде досить слабким, якщо його не пошарувати.
Стоси вуглецевого волокна (тканого або односпрямованого) із змінною орієнтацією є надзвичайно міцними -- фактично у 18 разів міцнішими за міцність сталі.
Чи можна спалити вуглецеве волокно?
Вам було б важко спалювати вуглецеве волокно.
Якщо ви нагрієте його до 750 градусів, він буде горіти дуже повільно, доки до нього подається палаюче джерело палива. Але навіть у цьому місці горіння припиниться, щойно джерело палива буде видалено.
Таке обмежене горіння спричинене смолою в поєднанні з вуглецем у волокні, тому що сам вуглець не горить. Єдина причина горіння волокна полягає в тому, що невуглецеві компоненти в ньому горять.
Існують різні види смоли, які можуть підтримувати різні види тепла. Типова епоксидна смола витримує температуру приблизно до 200 градусів за Фаренгейтом, але смола, що нагрівається, зазвичай витримує нагрівання до 400 градусів. Завжди перевіряйте технічні характеристики використовуваної смоли.
Оскільки вуглецеве волокно дуже термостійке, але все ще таке міцне, воно використовується в багатьох інженерних додатках, наприклад, сайдинг всередині двигунів.
Чи може вуглецеве волокно іржавіти?
Ні. Міцні зв’язки вуглецевого волокна не піддаються окисленню через складні хімічні процеси, які використовуються під час виробництва. Епоксидні смоли, які використовуються для захисту вуглецевого волокна від пошкоджень, є інертними, тобто вони захищені від іржі та інших видів корозії.
Наскільки міцна нитка з вуглецевого волокна?
Нитка з вуглецевого волокна — це окрема нитка, яка використовується на тканині з вуглецевого волокна. Ці нитки зазвичай з’єднуються разом за допомогою смоли, яка є RP у CFRP (пластик, армований вуглецевим волокном). Поєднуючи матеріал, який використовується з точним хімічним складом вуглецевого волокна, інженери можуть створити щось навіть більш довговічне, міцне та легке, ніж його частини.
У тканині кожна нитка вуглецевого волокна зазвичай має десь від 1,000 до 12,000 окремих ниток, менше ніж ширина людської волосини.
Отже, наскільки міцне вуглецеве волокно? Скажімо так: у світі не так багато матеріалів, міцніших за вуглецеве волокно --, особливо не комерційно доступних.