http___hr.3kcarbontube.com_news_how-is-carbon-fiber-made__1.xml
1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 6.1 7.1 7.2 7.3 8.1 8.2 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 12.1 12.2 13.1 14.1 14.2 15.1 15.2 16.1 16.2 17.1 17.2 18.1 18.2 18.3 19.1 19.2 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 29.2 30.1 30.2 31.1 31.2 32.1 33.1 34.1 35.1 35.2 35.3 35.4 36.1 36.2 36.3 37.1 37.2 37.3 37.4 38.1 38.2 38.3 39.1
The manufacture, uses, and future of this strong, lightweight material Also called graphite fiber or carbon graphite, carbon fiber consists of very thin strands of the element carbon. These fibers have high tensile strength and are extremely strong for their size. In fact, one form of carbon fiber—the carbon nanotube—is considered the strongest material available. Carbon fiber applications include construction, engineering, aerospace, high-performance vehicles, sporting equipment, and musical instruments. In the field of energy, carbon fiber is used in the production of windmill blades, natural gas storage, and fuel cells for transportation. In the aircraft industry, it has applications in both military and commercial aircraft, as well as unmanned aerial vehicles. For oil exploration, it’s used in the manufacture of deepwater drilling platforms and pipes. Fast Facts: Carbon Fiber Statistics - Each strand of carbon fiber is five to 10 microns in diameter. To give you a sense of how small that is, one micron (um) is 0.000039 inches. A single strand of spiderweb silk is usually between three to eight microns. - Carbon fibers are twice as stiff as steel and five times as strong as steel, (per unit of weight). They’re also highly chemically resistant and have high-temperature tolerance with low thermal expansion. Raw Materials Carbon fiber is made from organic polymers, which consist of long strings of molecules held together by carbon atoms. Most carbon fibers (about 90%) are made from the polyacrylonitrile (PAN) process. A small amount (about 10%) are manufactured from rayon or the petroleum pitch process. Gases, liquids, and other materials used in the manufacturing process create specific effects, qualities, and grades of carbon fiber. Carbon fiber manufacturers use proprietary formulas and combinations of raw materials for the materials they produce and in general, they treat these specific formulations as trade secrets. The highest grade carbon fiber with the most efficient modulus (a constant or coefficient used to expresses a numerical degree to which a substance possesses a particular property, such as elasticity) properties are used in demanding applications such as aerospace. Manufacturing Process Creating carbon fiber involves both chemical and mechanical processes. Raw materials, known as precursors, are drawn into long strands and then heated to high temperatures in an anaerobic (oxygen-free) environment. Rather than burning, the extreme heat causes the fiber atoms to vibrate so violently that almost all non-carbon atoms are expelled. After the carbonization process is complete, the remaining fiber is made up of long, tightly interlocked carbon atom chains with few or no non-carbon atoms remaining. These fibers are subsequently woven into fabric or combined with other materials that are then filament wound or molded into the desired shapes and sizes. The following five segments are typical in the PAN process for the manufacture of carbon fiber: - Spinning. PAN is mixed with other ingredients and spun into fibers, which are then washed and stretched. - Stabilizing. The fibers undergo chemical alteration to stabilize bonding. - Carbonizing. Stabilized fibers are heated to very high temperature forming tightly bonded carbon crystals. - Treating the Surface. The surface of the fibers is oxidized to improve bonding properties. - Sizing. Fibers are coated and wound onto bobbins, which are loaded onto spinning machines that twist the fibers into different size yarns. Rather than being woven into fabrics, fibers can also be formed into composite materials, using heat, pressure, or a vacuum to bind fibers together with a plastic polymer. Carbon nanotubes are manufactured via a different process than standard carbon fibers. Estimated to be 20 times stronger than their precursors, nanotubes are forged in furnaces that employ lasers to vaporize carbon particles. Manufacturing Challenges The manufacture of carbon fibers carries a number of challenges, including: - The need for more cost-effective recovery and repair - Unsustainable manufacturing costs for some applications: For example, even though new technology is under development, due to prohibitive costs, the use of carbon fiber in the automobile industry is currently limited to high-performance and luxury vehicles. - The surface treatment process must be carefully regulated to avoid creating pits that result in defective fibers. - Close control required to ensure consistent quality - Health and safety issues including skin and breathing irritation - Arcing and shorts in electrical equipment due to the strong electro-conductivity of carbon fibers Future of Carbon Fiber As carbon fiber technology continues to evolve, the possibilities for carbon fiber will only diversify and increase. At Massachusetts Institute of Technology, several studies focusing on carbon fiber are already showing a great deal of promise for creating new manufacturing technology and design to meet emerging industry demand. MIT Associate Professor of Mechanical Engineering John Hart, a nanotube pioneer, has been working with his students to transform the technology for manufacturing, including looking at new materials to be used in conjunction with commercial-grade 3D printers. “I asked them to think completely off the rails; if they could conceive a 3-D printer that’s never been made before or a useful material that can’t be printed using current printers,” Hart explained. The results were prototype machines that printed molten glass, soft-serve ice cream—and carbon fiber composites. According to Hart, student teams also created machines that could handle “large-area parallel extrusion of polymers” and perform “in situ optical scanning” of the printing process. Additionally, Hart worked with MIT Associate Professor of Chemistry Mircea Dinca on a recently concluded three-year collaboration with Automobili Lamborghini to investigate the possibilities of new carbon fiber and composite materials that might one day not only “enable the complete body of the car to be used as a battery system,” but lead to “lighter, stronger bodies, more-efficient catalytic converters, thinner paint, and improved power-train heat transfer [overall].” With such stunning breakthroughs on the horizon, it’s no wonder that the carbon fiber market has been projected to grow from $4.7 billion in 2019 to $13.3 billion by 2029, at a compound annual growth rate (CAGR) of 11.0% (or slightly higher) over the same period of time. Sources - McConnell, Vicki. “The Making of Carbon Fiber.” CompositeWorld. December 19, 2008 - Sherman, Don. “Beyond Carbon Fiber: The Next Breakthrough Material Is 20 Times Stronger.” Car and Driver. - Randall, Danielle. “MIT researchers collaborate with Lamborghini to develop an electric car of the future.” MITMECHE/In The News: Department of Chemistry. November 16, 2017 - “Carbon Fiber Market by Raw Material (PAN, Pitch, Rayon), Fiber Type (Virgin, Recycled), Product Type, Modulus, Application (Composite, Non-composite), End-use Industry (A & D, Automotive, Wind Energy), and Region—Global Forecast to 2029.” MarketsandMarkets™. September 2019 Post time: Oct-29-2022
1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 6.1 7.1 7.2 7.3 8.1 8.2 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 12.1 12.2 13.1 14.1 14.2 15.1 15.2 16.1 16.2 17.1 17.2 18.1 18.2 18.3 19.1 19.2 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 29.2 30.1 30.2 31.1 31.2 32.1 33.1 34.1 35.1 35.2 36.1 36.2 37.1 37.2 38.1 38.2 39.1
Proizvodnja, upotreba i budućnost ovog snažnog, laganog materijala Također se nazivaju grafitna vlakna ili ugljični grafit, ugljična vlakna se sastoje od vrlo tankih niti elementa ugljika. Ova vlakna imaju veliku vlačnu čvrstoću i iznimno su jaka za svoju veličinu. Zapravo, jedan oblik ugljičnih vlakana – ugljična nanocijev – smatra se najjačim dostupnim materijalom. Primjene ugljičnih vlakana uključuju građevinarstvo, inženjering, zrakoplovstvo, vozila visokih performansi, sportsku opremu i glazbene instrumente. U području energetike, ugljična vlakna koriste se u proizvodnji lopatica vjetrenjača, skladišta prirodnog plina i gorivnih ćelija za transport. U zrakoplovnoj industriji ima primjenu u vojnim i komercijalnim zrakoplovima, kao i u bespilotnim letjelicama. Za istraživanje nafte, koristi se u proizvodnji platformi i cijevi za dubokovodno bušenje. Brze činjenice: statistika ugljičnih vlakana - Svaki lanac karbonskih vlakana ima promjer od pet do 10 mikrona. Da biste dobili osjećaj koliko je to malo, jedan mikron (um) je 0,000039 inča. Jedna niti svile od paukove mreže obično je između tri do osam mikrona. - Ugljična vlakna su dva puta čvršća od čelika i pet puta čvršća od čelika (po jedinici težine). Također su vrlo kemijski otporni i imaju toleranciju na visoke temperature s niskim toplinskim širenjem. Sirovine Ugljična vlakna izrađena su od organskih polimera, koji se sastoje od dugih nizova molekula koje zajedno drže atomi ugljika. Većina ugljičnih vlakana (oko 90%) izrađena je od poliakrilonitrilnog (PAN) procesa. Mala količina (oko 10%) proizvedena je od rajona ili postupkom naftnog smola. Plinovi, tekućine i drugi materijali koji se koriste u proizvodnom procesu stvaraju specifične učinke, kvalitete i stupnjeve karbonskih vlakana. Proizvođači ugljičnih vlakana koriste vlasničke formule i kombinacije sirovina za materijale koje proizvode i općenito te specifične formulacije tretiraju kao poslovnu tajnu. Ugljična vlakna najviše kvalitete s najučinkovitijim svojstvima modula (konstanta ili koeficijent koji se koristi za izražavanje numeričkog stupnja u kojem tvar posjeduje određeno svojstvo, kao što je elastičnost) koriste se u zahtjevnim aplikacijama kao što je zrakoplovstvo. Proizvodni proces Stvaranje ugljičnih vlakana uključuje i kemijske i mehaničke procese. Sirovine, poznate kao prekursori, uvlače se u duge niti, a zatim se zagrijavaju na visoke temperature u anaerobnom okruženju (bez kisika). Umjesto da gori, ekstremna toplina uzrokuje da atomi vlakana vibriraju tako snažno da se izbacuju gotovo svi neugljični atomi. Nakon što je proces karbonizacije dovršen, preostalo vlakno se sastoji od dugih, čvrsto povezanih lanaca atoma ugljika s nekoliko preostalih neugljikovih atoma ili bez njih. Ta se vlakna naknadno utkaju u tkaninu ili kombiniraju s drugim materijalima koji se zatim namotaju ili oblikuju u željene oblike i veličine. Sljedećih pet segmenata tipično je u PAN procesu za proizvodnju ugljičnih vlakana: - Predenje. PAN se miješa s ostalim sastojcima i vrti u vlakna, koja se zatim isperu i razvlače. - Stabilizirajući. Vlakna se podvrgavaju kemijskoj izmjeni kako bi se stabilizirala veza. - Karboniziranje. Stabilizirana vlakna se zagrijavaju na vrlo visoku temperaturu tvoreći čvrsto povezane kristale ugljika. - Tretiranje površine. Površina vlakana se oksidira kako bi se poboljšala svojstva vezivanja. - Dimenzioniranje. Vlakna su obložena i namotana na bobine, koje se utovaruju na strojeve za predenje koji uvijaju vlakna u pređu različite veličine. Umjesto da se tkaju u tkanine, vlakna se također mogu oblikovati u kompozitne materijale, korištenjem topline, pritiska ili vakuuma kako bi se vlakna vezala zajedno s plastičnim polimerom. Ugljične nanocijevi se proizvode drugačijim postupkom od standardnih ugljičnih vlakana. Procjenjuje se da su 20 puta jače od svojih prethodnika, nanocijevi se kovaju u pećima koje koriste lasere za isparavanje čestica ugljika. Izazovi u proizvodnji Proizvodnja karbonskih vlakana nosi niz izazova, uključujući: - Potreba za isplativijim oporavkom i popravkom - Neodrživi troškovi proizvodnje za neke primjene: Na primjer, iako je nova tehnologija u razvoju, zbog previsokih troškova, upotreba ugljičnih vlakana u automobilskoj industriji trenutno je ograničena na visokoučinkovita i luksuzna vozila. - Proces površinske obrade mora biti pažljivo reguliran kako bi se izbjeglo stvaranje udubljenja koje rezultiraju neispravnim vlaknima. - Potrebna je stroga kontrola kako bi se osigurala dosljedna kvaliteta - Zdravstveni i sigurnosni problemi, uključujući iritaciju kože i disanja - Luk i kratki spojevi u električnoj opremi zbog jake elektrovodljivosti ugljičnih vlakana Budućnost karbonskih vlakana Kako se tehnologija karbonskih vlakana nastavlja razvijati, mogućnosti za ugljična vlakna će se samo diverzificirati i povećavati. Na Massachusetts Institute of Technology, nekoliko studija koje se fokusiraju na ugljična vlakna već pokazuju mnogo obećanja za stvaranje nove proizvodne tehnologije i dizajna kako bi se zadovoljila potražnja industrije u nastajanju. Izvanredni profesor strojarstva MIT-a John Hart, pionir nanocijevi, radio je sa svojim studentima na transformaciji tehnologije za proizvodnju, uključujući traženje novih materijala koji će se koristiti u kombinaciji s komercijalnim 3D pisačima. “Zamolio sam ih da razmišljaju potpuno izvan tračnica; kad bi mogli osmisliti 3-D pisač koji nikada prije nije napravljen ili koristan materijal koji se ne može ispisati pomoću trenutnih pisača”, objasnio je Hart. Rezultati su bili prototipni strojevi koji su tiskali rastaljeno staklo, meki sladoled i kompozite od ugljičnih vlakana. Prema Hartu, studentski timovi također su stvorili strojeve koji su mogli nositi "paralelno istiskivanje polimera velikih površina" i izvoditi "in situ optičko skeniranje" procesa ispisa. Dodatno, Hart je radio s izvanrednim profesorom kemije MIT-a Mirceom Dincom na nedavno završenoj trogodišnjoj suradnji s Automobili Lamborghinijem kako bi se istražile mogućnosti novih karbonskih vlakana i kompozitnih materijala koji bi jednog dana mogli ne samo "omogućiti da kompletna karoserija automobila bude koristi se kao sustav baterija", ali dovode do "lakših, jačih karoserija, učinkovitijih katalitičkih pretvarača, tanje boje i poboljšanog prijenosa topline pogonskog sklopa [ukupno]." S takvim zadivljujućim otkrićima na horizontu, nije ni čudo da se predviđa da će tržište karbonskih vlakana porasti s 4,7 milijardi USD u 2019. na 13,3 milijarde USD do 2029., uz ukupnu godišnju stopu rasta (CAGR) od 11,0% (ili nešto više) u odnosu na isti vremenski period. Izvori - McConnell, Vicki. "Izrada ugljičnih vlakana." CompositeWorld. 19. prosinca 2008 - Sherman, Don. “Izvan ugljičnih vlakana: Sljedeći probojni materijal je 20 puta jači.” Auto i Vozač. 18. ožujka 2015 - Randall, Danielle. “Istraživači MIT-a surađuju s Lamborghinijem kako bi razvili električni automobil budućnosti.” MITMECHE/U vijestima: Kemijski odsjek. 16. studenog 2017 - „Tržište ugljičnih vlakana prema sirovinama (PAN, pitch, rayon), vrsti vlakana (djevičanski, reciklirani), vrsti proizvoda, modulu, primjeni (kompozitni, nekompozitni), industriji krajnje upotrebe (A & D, automobilskoj industriji, energiji vjetra ), i Regija – globalna prognoza do 2029. MarketsandMarkets™. rujna 2019 Vrijeme objave: 28. srpnja 2021