Anglies pluoštas yra tekstilė, kurią daugiausia sudaro anglis. Jis gaminamas verpant įvairius anglies pagrindu pagamintus polimerus į pluoštus, juos apdorojant, kad būtų pašalinta dauguma kitų medžiagų, o gautą medžiagą įaudžiant į audinį. Paprastai jis įterpiamas į plastiką (dažniausiai epoksidą), kad susidarytų anglies pluoštu sustiprintas plastikas arba anglies pluošto kompozitas. Svarbiausios medžiagos savybės yra didelis stiprumo ir svorio santykis bei santykinis cheminis inertiškumas. Šios savybės suteikia jam platų pritaikymo spektrą, tačiau jo naudojimą riboja tai, kad jis yra gana brangus.
Gamyba
Šios medžiagos gamyboje dažniausiai naudojamas poliakrilonitrilas (PAN), plastikas, naudojamas drabužių sintetinėje tekstilėje, arba pikis, į degutą panaši medžiaga, pagaminta iš naftos. Pikis pirmiausia susukamas į sruogas, bet PAN paprastai iš pradžių yra pluoštinės formos. Stipriai kaitinant jie paverčiami anglies pluoštu, kad būtų pašalinti kiti elementai, tokie kaip vandenilis, deguonis ir azotas; šis procesas žinomas kaip pirolizė. Pluoštų tempimas šios procedūros metu padeda pašalinti nelygumus, kurie gali susilpninti galutinį produktą.
Neapdoroti pluoštai iš pradžių kaitinami iki maždaug 590 °F (300 °C) ore ir veikiami įtempimo stadijoje, vadinamoje oksidacija arba stabilizavimu. Tai pašalina vandenilį iš molekulių ir paverčia pluoštus mechaniškai stabilesne forma. Tada jie kaitinami iki maždaug 1,830 1,000 ° F (XNUMX XNUMX ° C), kai nėra deguonies, vadinamame karbonizavimo etape. Taip pašalinama daugiau anglies neturinčių medžiagų, paliekant daugiausia anglies.
Kai reikalingi aukštos kokybės, didelio stiprumo pluoštai, vyksta tolesnis etapas, vadinamas grafitizavimu. Medžiaga kaitinama iki 1,732 5,500–1,500 3,000 ° F (90 99–XNUMX XNUMX ° C), kad anglies atomų susidarymas paverstų grafitą panašia struktūra. Tai taip pat pašalina didžiąją dalį likusių ne anglies atomų. Terminas „anglies pluoštas“ vartojamas medžiagai, kurioje anglies kiekis yra ne mažesnis kaip XNUMX%. Kai anglies kiekis yra didesnis nei XNUMX%, medžiaga kartais vadinama grafito pluoštu.
Susidaręs neapdorotas anglies pluoštas blogai susilieja su kompozitams gaminti naudojamomis medžiagomis, todėl apdorojant tinkamais chemikalais yra šiek tiek oksiduojamas. Deguonies atomai, pridedami prie struktūros, leidžia sudaryti ryšius su plastikais, pvz., epoksidu. Užtepus ploną apsauginę dangą, supinama į reikiamų matmenų siūlus. Jie savo ruožtu gali būti išausti į audinius, kurie vėliau paprastai įmaišomi į kompozicines medžiagas.
Struktūra ir savybės
Vieno pluošto skersmuo yra apie 0.0002–0.0004 colio (0.005–0.010 mm); verpalai susideda iš daugybės tūkstančių šių sruogų, supintų kartu, kad sudarytų itin tvirtą medžiagą. Kiekvienoje grandinėje anglies atomai yra išsidėstę panašiai kaip grafitas: šešiakampiai žiedai, sujungti į lakštus. Grafite šie lakštai yra plokšti ir tik laisvai surišti vienas su kitu, todėl jie lengvai slysta. Anglies pluošte lakštai yra sulankstyti ir suglamžyti, todėl susidaro daug mažyčių, susipynusių kristalų, žinomų kaip kristalitai. Kuo aukštesnė gamyboje naudojama temperatūra, tuo šie kristalitai labiau orientuojasi išilgai pluošto ašies ir tuo didesnis stiprumas.
Kompozito viduje taip pat svarbi pačių pluoštų orientacija. Priklausomai nuo to, medžiaga gali būti tvirtesnė tam tikra kryptimi arba vienodai tvirta visomis kryptimis. Kai kuriais atvejais mažas gabalas gali atlaikyti daugelio tonų smūgį ir vis tiek deformuotis minimaliai. Dėl sudėtingo pluošto susipynimo jį labai sunku sulaužyti.
Kalbant apie stiprumo ir svorio santykį, anglies pluošto kompozitas yra geriausia medžiaga, kurią civilizacija gali pagaminti pastebimais kiekiais. Stipriausi yra maždaug penkis kartus stipresni už plieną ir žymiai lengvesni. Atliekami tyrimai dėl galimybės į medžiagą įterpti anglies nanovamzdelių, kurie gali pagerinti stiprumo ir svorio santykį 10 ar daugiau kartų.
Kitos naudingos jo savybės yra gebėjimas atlaikyti aukštą temperatūrą ir inertiškumas. Molekulinė struktūra, kaip ir grafitas, yra labai stabili, todėl aukšta lydymosi temperatūra ir mažesnė tikimybė, kad ji chemiškai reaguos su kitomis medžiagomis. Todėl jis naudingas komponentams, kurie gali būti veikiami karščio, ir tais atvejais, kai reikalingas atsparumas korozijai.
Naudoja
Anglies pluoštas naudojamas daugelyje sričių, kur reikalingas didelio stiprumo ir mažo svorio derinys. Tai viešasis ir privatus transportas, pavyzdžiui, automobiliai, lėktuvai ir erdvėlaiviai; sporto įranga, pavyzdžiui, lenktyniniai dviračiai, slidės ir meškerės; ir statyba. Dėl santykinio medžiagos inertiškumo ji puikiai tinka naudoti chemijos pramonėje ir medicinoje – ji gali būti naudojama implantams, nes nereaguos su organizme esančiomis medžiagomis. Statybos inžinerijoje nustatyta, kad senus tiltus nuo sunaikinimo ir atstatymo galima apsaugoti naudojant paprastą anglies pluošto sutvirtinimą, kuris yra palyginti pigesnis.
Ekonomika
Nuo 2013 m. anglies pluošto naudojimą ir paklausą ribojo jo kaina. Iš kompozito pagamintas dviratis paprastai kainuoja apie kelis tūkstančius JAV dolerių (USD). Formulės 200 lenktyninių automobilių, važiuojančių didesniu nei 320 mylių per valandą (1 km/h) greičiu, statyba ir priežiūra gali kainuoti daugiau nei XNUMX mln. Tačiau paklausa labai išaugo, daugiausia dėl padidėjusių didelių komercinių lėktuvų gamybos. Jei savikainą pavyks gerokai sumažinti, tai gali tapti universalia medžiaga transporto priemonėms ir smulkiems gaminiams, skirtam ypatingam ilgaamžiškumui ir lengvumui.