Категория: Строительный материалы
Количество статей: 31
Создать статьюУглеродное волокно
Что такое углеродное волокно
Углеродное волокно — один из самых впечатляющих инновационных материалов в современной архитектуре. Состоящее из волокон, состоящих из атомов углерода, оно обладает исключительной прочностью и жёсткостью, оставаясь при этом относительно лёгким. Это делает его широко применимым в архитектурном проектировании, позволяя создавать более эффективные, долговечные и инновационные строительные решения.
Углеродное волокно (CF: или графитовое волокно) - это волокно диаметром около 5-10 микрон, которое в основном состоит из атомов углерода.
Углеродное волокно обладает рядом преимуществ, включая высокую жесткость, высокую прочность на растяжение, малый вес, высокую химическую стойкость, термостойкость и низкое тепловое расширение.Эти характеристики делают углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической промышленности, гражданском строительстве, военном деле и автоспорте, а также в других спортивных состязаниях.
Однако по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно или пластиковое волокно, они относительно дороги. При производстве углеродного волокна большинство атомов углерода в кристалле расположены параллельно главной оси волокна, что обеспечивает углеродному волокну высокое отношение прочности к объему (более высокую прочность при меньшем размере).Тысячи углеродных волокон соединяются вместе, образуя жгут, который можно использовать отдельно или вплетать в ткань.
Углеродное волокно обычно комбинируется с другими материалами для получения композитных материалов.При пропитке пластиковой смолой, нагревании и сушке он образует полимер, армированный углеродным волокном (часто называемый углеродным волокном), который обладает очень высоким отношением прочности к весу и очень жестким, несмотря на некоторую хрупкость.Углеродное волокно также комбинируется с другими материалами, такими как графит, для получения армированного углерод-углеродного композиционного материала с высокой термостойкостью.
Появление углеродного волокна
В 1860 году Джозеф Свон впервые изготовил углеродное волокно для ламп накаливания.
В 1879 году Томас Эдисон обжег хлопчатобумажные или бамбуковые полоски при высоких температурах и науглерожил их, превратив в полностью углеродные нити для использования в одной из первых ламп накаливания, нагреваемых электричеством.
В 1880 году Луис Латимер разработал надежную угольную нить накала, нагреваемую электричеством, для ламп накаливания
В 1958 году Роджер Бэкон произвел высокоэффективное углеродное волокно в технологическом центре United Carbide Palma за пределами Кливленда, штат Огайо. Эти волокна изготавливаются путем нагревания искусственных волокон до тех пор, пока они не обуглятся.Но этот метод оказался неэффективен, поскольку получаемое волокно содержит всего около 20% углерода, а его прочность низкая и жесткость недостаточная. В начале 1960-х годов доктор Доктор Акио Синдо разработал технологию, использующую полиакрилонитрил в качестве сырья.В результате получается углеродное волокно, содержащее около 55% углерода.В 1960 году Х.I.
Компания Thompson Fiberglas Co.Ричард Миллингтон из компании разработал способ использования вискозы в качестве сырья для производства высокоуглеродистых (99%) волокон (патент США: 3294489).Эти углеродные волокна обладают достаточной прочностью (модуль упругости и предел прочности при растяжении) и могут быть использованы в качестве армирующих материалов для композиционных материалов, которые обладают высоким соотношением прочности к весу и устойчивостью к высоким температурам.
В 1963 году из Королевской авиастроительной компании Фарнборо, Гемпшир. Уотт, Л. N. Филлипс и У. Новый технологический процесс, разработанный компанией Johnson, обеспечивает потенциально высокую прочность углеродного волокна.Этот процесс был запатентован Министерством обороны Великобритании, а затем лицензирован Британской национальной компанией исследований и разработок трем компаниям: Rolls-Royce, которая уже производит углеродное волокно, Morganite и Courtaulds.
В 1968 году компания Rolls-Royce успешно использовала компоненты вентилятора Hyfil из углеродного волокна в реактивном двигателе Rolls-Royce Conway авиалайнера VC10. Несколько лет спустя компания Rolls-Royce использовала преимущества углеродного волокна для выпуска на рынок США авиационного двигателя RB-211 с лопатками компрессора из углеродного волокна.К сожалению, лезвия легко повреждаются при ударах птиц.
Эта и другие проблемы привели к тому, что Rolls-Royce потерпел неудачу, и в 1971 году компания была национализирована. Завод по производству углеродного волокна был продан и позже стал компанией Bristol Composites. В конце 1960-х годов Япония заняла лидирующие позиции в производстве углеродных волокон на основе полиакрилонитрила.Соглашение о совместной технологии, заключенное в 1970 году, позволило United Carbide производить продукцию японской компании Toray Industries.Morganite считает, что производство углеродного волокна является второстепенным направлением ее основного бизнеса, что делает Courtaulds единственным крупным британским производителем.
Неорганический процесс производства Courtaulds на водной основе делает продукт восприимчивым к примесям, и эти примеси не повлияют на других производителей, которые используют органические процессы для производства углеродного волокна, в результате чего Courtaulds прекратила производство углеродного волокна в 1991 году. В 1960-х годах люди экспериментировали с целью поиска альтернативного сырья для производства углеродного волокна, поэтому они получили углеродное волокно, полученное из асфальта, полученного в результате переработки нефти.Эти волокна содержат около 85% углерода и обладают отличной прочностью на изгиб.Кроме того, в этот период японское правительство активно поддерживало развитие отечественного углеродного волокна, и несколько японских компаний, таких как Toray, Nippon Carbon, Toho rayon и Mitsubishi, начали собственные разработки и производство. С конца 1970-х годов на мировом рынке появилось больше видов нитей из углеродного волокна, которые обладают более высокой прочностью на разрыв и более высоким модулем упругости.Например, Toray T400 имеет предел прочности при растяжении 4000 МПа, а M40 - модуль упругости 400 ГПа.Компания Toho Rayon разработала изделия из углеродного волокна средней прочности с пределом прочности при растяжении 6000 МПа. Углеродные волокна компаний Toray, Celanese и Aksu впервые нашли применение в авиации - от второстепенных деталей к основным в военных самолетах, а затем нашли применение в гражданских самолетах, таких как Mcdonald Douglas, Boeing, Airbus и United Aircraft. Aircraft.
Структура и природа углеродного волокна
Углеродное волокно часто поставляется в виде непрерывного жгута, намотанного на катушку. Жгут представляет собой непрерывный единый пучок углеродного волокна из тысяч нитей, скрепленных вместе и защищенных органическим покрытием или каучуковым материалом (таким как полиэтиленоксид (ПЭО) или поливиниловый спирт (ПВА)). Жгут можно легко размотать и использовать прямо с катушки.Каждая углеродная проволока в жгуте представляет собой цилиндр диаметром 5-10 мкм, который почти полностью состоит из углерода. Самое раннее поколение (такое как T300, HTA и AS4) имеет диаметр 16-22 мкм. Более поздние волокна (такие как IM6 или IM600) имеют диаметр около 5 мкм. Атомная структура углеродного волокна аналогична структуре графита, состоящего из листов атомов углерода (графеновых листов), расположенных в виде правильного шестиугольника, за исключением способа соединения этих листов.Графит - это кристаллический материал, в котором тонкие листы равномерно уложены параллельно друг другу. Межмолекулярное взаимодействие между чешуйками является относительно слабым Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием, которое делает графит мягким и хрупким.
В зависимости от исходного материала, используемого для изготовления волокна, углеродное волокно может быть слоистым турбинным волокном или графитовым волокном, или же это может быть смешанная структура из них обоих. В многослойном углеродном волокне турбины атомы углерода беспорядочно скручены друг с другом.Углеродные волокна, полученные из полиакрилонитрила (PAN), имеют турбинный слой, в то время как углеродные волокна, полученные из асфальта промежуточной фазы, графитизируются после термообработки при температуре более 2200℃.Слоистые углеродные волокна для турбин, как правило, обладают высокой прочностью на разрыв, в то время как термообработанные углеродные волокна промежуточной фазы, полученные из асфальта, обладают высоким модулем Юнга (т.е. высокой жесткостью или сопротивлением растяжению под нагрузкой) и высокой теплопроводностью.
Использование углеродного волокна
В 2012 году спрос на мировом рынке углеродного волокна оценивался в 11,7 миллиарда долларов США, а ежегодные темпы роста с 2012 по 2018 год оцениваются в 10-12%. Наибольший спрос на углеродное волокно наблюдается в авиационной и аэрокосмической промышленности, ветроэнергетике и автомобильной промышленности, где требуется оптимизация смол. Углеродное волокно может быть более дорогим, чем другие материалы, что является одним из ограничивающих факторов при использовании углеродного волокна. По сравнению с автомобильной сталью стоимость углеродного волокна может быть в 10-12 раз дороже. Однако за последние 10 лет эта оценка затрат несколько снизилась по сравнению с 35 разами в начале 21 века.[9] 3.1 Композиционные материалы Углеродное волокно чаще всего используется для упрочнения композитных материалов, особенно полимерных материалов, армированных углеродным волокном или графитом. Неполимерные материалы также могут быть использованы в качестве матрицы для углеродного волокна. Из-за факторов образования карбидов металлов и коррозии применение углерода в композитах с металлической матрицей ограничено. Армированные углерод-углеродные композиционные материалы состоят из графита, армированного углеродным волокном, и конструктивно используются при высоких температурах. Это волокно также можно использовать для фильтрации высокотемпературных газов, в качестве электрода, поскольку оно обладает высокой удельной поверхностью и безупречной коррозионной стойкостью, а также в качестве антистатического компонента. Формование тонкого слоя углеродного волокна значительно повышает огнестойкость полимера или термореактивного композитного материала, поскольку плотный слой углеродного волокна эффективно отражает тепло. Из-за проблемы электрохимической коррозии композитные материалы из углеродного волокна используются все шире, заменяя алюминий в аэрокосмической промышленности и другие металлы.
3.2 Текстильные изделия Защитные перчатки для гонок на мотоциклах из углеродного волокна со связками пальцев Предшественниками этого типа углеродного волокна являются полиакрилонитрил, вискоза и асфальт. Нити из углеродного волокна используются в нескольких технологиях обработки: непосредственное применение - препрег, намотка нити, пултрузия, плетение, ткацкий станок и т.д.Нити из углеродного волокна классифицируются по линейной плотности (вес на единицу длины, то есть 1 г/1000 м = 1 текс) или количеству нитей в одной нити в тысячах штук. Например, 200 граммов 3000 нитей из углеродного волокна в три раза больше веса 1000 нитей из углеродного волокна, но это также в три раза больше веса.Этот вид нити можно использовать для плетения углепластиковых нитяных тканей или сукна. Внешний вид этой ткани обычно зависит от выбранной пряжи и линейной плотности ткани. Некоторые широко используемые виды ткачества - саржевое, атласное и полотняное.Углеродные шелковые нити также могут быть вязаными или ткаными.
3.3 Микроэлектрод Углеродное волокно используется для изготовления микроэлектродов из углеродного волокна.В этом случае одно углеродное волокно диаметром 5-7 мкм обычно помещается в стеклянный капилляр. В верхней части капилляр либо герметизируется эпоксидной смолой и полируется для изготовления дискового микроэлектрода из углеродного волокна, либо волокно разрезается на отрезки длиной 75-150 мкм для изготовления цилиндрического электрода из углеродного волокна.Микроэлектроды из углеродного волокна используются для анализа тока или быстрой сканирующей объемной вольтамперометрии для обнаружения биохимических сигналов.
3.4 Гибкое отопление Нагревательная рубашка из углеродного волокна, изготовленная своими руками Углеродное волокно обладает превосходной электропроводностью и имеет очень низкий ток. Будучи вплетенными в более крупные ткани, они могут надежно обеспечивать инфракрасный обогрев в тех областях применения, где требуются гибкие нагревательные элементы, а благодаря их физическим свойствам можно легко поддерживать температуру выше 100℃. Многие примеры такого применения можно увидеть в “домашнем” обогреве одежды и одеял "своими руками". Благодаря своей химической инертности он может относительно безопасно использоваться в большинстве тканей и материалов; однако короткое замыкание, вызванное складыванием самого материала, может привести к повышенному тепловыделению и возгоранию.
Синтез углеродного волокна
Синтез углеродного волокна из полиакрилонитрила: полимеризация акрилонитрила в полиакрилонитрил, низкотемпературная циклизация, высокотемпературное окисление и карбонизационная обработка (удаление атомов водорода), после чего атомы азота удаляются и графитизируются, углеродная цепочка соединяется с графитовой плоскостью. Каждая углеродная проволока изготовлена из полимера, такого как полиакрилонитрил, вискоза или нефтяной асфальт, и они называются прекурсорами. Для получения синтетических полимеров, таких как полиакрилонитрил или вискоза, исходное сырье сначала прядут в шелк, а затем используют химические и механические методы для первоначального упорядочения молекул полимера для улучшения конечных физических свойств готового углеродного волокна. Исходные компоненты и механические процессы, используемые при прядении нитей накаливания, могут варьироваться от производителя к производителю. После растяжения или прядения полимерная волокнистая нить нагревается для удаления неуглеродистых атомов (карбонизации) с получением конечного углеродного волокна. Нити из углеродного волокна могут быть дополнительно обработаны для улучшения качества обработки, а затем намотаны на катушку. Гибкость тканей на основе углеродного волокна
Распространенным методом изготовления является нагрев пряденой полиакрилонитрильной нити накала на воздухе примерно до 300℃, что приводит к разрушению многих водородных связей и окислению материала.Затем окисленный полиакрилонитрил помещают в печь с инертным газом, таким как аргон, и нагревают примерно до 2000℃, что приводит к графитизации материала и изменению структуры молекулярных связей. При нагревании в подходящих условиях эти цепочки соединяются бок о бок (полимер трапециевидной формы), образуя узкие графеновые листы, которые в конечном итоге сливаются в единую столбчатую нить. В результате обычно получается 93-95% углерода.Низкокачественные волокна могут быть изготовлены с использованием асфальта или вискозы вместо полиакрилонитрила в качестве прекурсора.Углерод может быть дополнительно усилен в процессе термообработки, чтобы получить высокомодульный или высокопрочный углерод.Углерод (карбонизация), нагретый при температуре 1500-2000 ℃, обладает самой высокой прочностью на разрыв (5650 МПа или 820000 фунтов на квадратный дюйм), в то время как углеродное волокно (графитизация), нагретое при температуре 2500-3000℃, обладает более высоким модулем упругости (531 МПа или 77 000 000 фунтов на квадратный дюйм).
4.1 Исследования в области производства возобновляемых волокон В настоящее время многие научно-исследовательские институты проводят исследования, направленные на то, чтобы попытаться синтезировать углеродное волокно из возобновляемого сырья, не связанного с нефтью. В случае успеха это может сократить выбросы парниковых газов и долгосрочные производственные затраты, связанные с производством углеродного волокна.
:
Углеродное волокно как инновационный материал
Углеродное волокно набирает популярность благодаря своим свойствам, которые имеют решающее значение в строительстве. Во-первых, оно обладает исключительной прочностью и жёсткостью. Хотя углеродное волокно легче традиционных строительных материалов, таких как сталь, оно прочнее. Это позволяет архитекторам проектировать более тонкие и лёгкие конструкции, способные выдерживать значительные нагрузки. Это критически важно для таких проектов, как большепролётные здания, небоскрёбы и мосты.
Помимо прочности, углеродное волокно обеспечивает исключительную гибкость дизайна. Его легко формовать в различные формы и текстуры, преодолевая ограничения традиционного архитектурного дизайна. Это позволяет дизайнерам создавать уникальные и художественные архитектурные формы — от изогнутых конструкций до сложных геометрических фигур.
Однако, несмотря на свои многочисленные преимущества, углеродное волокно сталкивается с рядом проблем, связанных с устойчивым развитием. Во-первых, процесс производства включает высокие температуры и химическую обработку, что может оказывать значительное воздействие на окружающую среду. Кроме того, его производство энергоёмко, поэтому его устойчивое развитие необходимо рассматривать с точки зрения энергопотребления.
Во-вторых, относительно высокая стоимость углеродного волокна может стать проблемой для бюджета строительных проектов. Однако по мере развития технологий и расширения сферы его применения ожидается постепенное снижение стоимости углеродного волокна, что сделает этот инновационный материал доступным для большего числа проектов.
В современной архитектуре углеродное волокно успешно применяется во многих областях: оно широко используется в строительстве. Его можно использовать для создания конструктивных элементов большепролётных крыш, мостов и высотных зданий, повышая прочность и устойчивость зданий, одновременно снижая их собственный вес.
Лёгкость и гибкость дизайна углеродного волокна делают его идеальным выбором для наружной облицовки. Дизайнеры могут использовать панели или компоненты из углеродного волокна, чтобы придать зданиям уникальный облик, а также обеспечить изоляцию и гидроизоляцию. Углеродное волокно также играет важную роль в дизайне интерьера. Его можно использовать для создания таких элементов, как мебель, предметы декора и перегородки, придавая интерьеру современный и изысканный вид.
Углеродное волокно как инновационный материал доказало свою ценность в современной архитектуре. В будущем можно ожидать следующих тенденций развития:
Повышение устойчивости: По мере роста спроса на экологичное строительство ожидается, что процессы производства углеродного волокна станут более экологичными, потенциально с расширением возможностей переработки и повторного использования. Технологические инновации: Новые технологии производства и методы обработки, вероятно, повысят эффективность и снизят стоимость углеродного волокна, что приведет к его более широкому применению в строительстве.
Инновации в дизайне: Проектировщики продолжат использовать гибкость проектирования углеродного волокна для создания более инновационных зданий и сооружений.
Подводя итог, можно сказать, что углеродное волокно, как инновационный материал, уже оказало значительное влияние на современную архитектуру. Его прочность, лёгкость и гибкость конструкции делают его ценным ресурсом в строительстве, предоставляя архитекторам и дизайнерам больше возможностей для проектирования. Однако для обеспечения его дальнейшего использования в будущих строительных проектах углеродному волокну ещё предстоит улучшить его экологичность и экономическую эффективность.
Биоматериалы — это класс устойчивых материалов природного происхождения, которые уже широко используются в современной архитектуре. Эти материалы, включая бамбук, дерево и пеньковую верёвку, имеют низкий углеродный след и являются возобновляемыми.
