Uhlíková vlákna, společně s uhlíkovými kompozity, se stala jedním z klíčových pojmů v aplikacích pokročilých materiálů. Tyto materiály nabízejí unikátní kombinaci vlastností, které je činí ideálními pro širokou škálu průmyslových odvětví. V praktických aplikacích se uhlíková vlákna často kombinují s matricovými materiály, jako jsou pryskyřice, za vzniku kompozitů z uhlíkových vláken, které se používají v různých oblastech.
Charakteristika uhlíkových vláken a kompozitů
Kompozitní produkty z uhlíkových vláken se vyrábějí kombinací vyztužení (vlákna) s matricí (pryskyřice). Tato kombinace vlákna a matrice dává vlastnosti lepší než kterýkoli z materiálů samotných. V kompozitním materiálu nesou vlákna většinu zátěží a charakterizují jeho vlastnosti. Pryskyřice pomáhá přenášet zatížení mezi vlákny, zabraňuje vybočení vláken a spojuje materiály dohromady. Kompozit je materiál dvou nebo více složek s rozdílnými vlastnostmi, které dohromady dávají výslednému výrobku nové vlastnosti. V případě uhlíkového kompozitu jsou jednou ze substancí uhlíková vlákna zajišťující pevnost a druhou pojivo (nejčastěji polymerní pojiva).
Vlastnosti uhlíkových vláken
- Lehkost a vysoká pevnost: Uhlíkové vlákno je nejlehčí a nejsilnější materiál na známou hmotu. Hustota materiálu z uhlíkových vláken je pouze 1,7 g/m³, což je 60 % hustoty hliníkových slitin a méně než 14 % oceli. Jedná se o polovinu hmotnosti hliníku s trojnásobnou pevností. Tato vlastnost přispívá k lehkým konstrukčním návrhům a je široce používána v komponentech snižujících hmotnost. Jeho pevnost v tahu je několikrát větší než u oceli a jeho specifická pevnost a specifický modul jsou lepší než existující konstrukční materiály.
- Tepelné vlastnosti: Uhlíková vlákna sama o sobě mají negativní koeficient tepelné roztažnosti (CTE) - což znamená, že při zahřívání se smršťují. I když jsou vlákna vložena do pryskyřičné matrice, lze kompozit upravit tak, aby měl téměř nulový CTE. Tepelná stabilita karbonu zvyšuje přesnost výroby. Výroba uhlíkových vláken vyžaduje procesy vysokoteplotní karbonizace a grafitizace, které vyžadují extrémně vysoké teploty. Proto samotné uhlíkové vlákno vydrží velmi vysoké pracovní teploty. Uhlíkové vlákno se však obvykle kombinuje s pryskyřicí za vzniku kompozitů z uhlíkových vláken, které mají obecně pracovní teplotu kolem 150 stupňů. V současné době mohou termoplastické materiály z uhlíkových vláken dosahovat ještě vyšších pracovních teplot.
- Chemické vlastnosti: Hlavním rozdílem mezi uhlíkovými vlákny a kovovými materiály je to, že uhlíkové vlákno je nekovový materiál. Výsledkem je, že uhlíkové vlákno má nízkou elektrochemickou aktivitu, vykazuje pozoruhodnou odolnost proti korozi a stárnutí, takže je vhodné pro různá pracovní prostředí.
Typy uhlíkových vláken a pryskyřic
Nejběžnější pryskyřice používané k vázání uhlíku jsou polyester, vinylester nebo epoxid. Všechny mají různé úrovně pevnosti, trvanlivosti, tvrdosti a flexibility. Technik si může vybrat ze široké škály vláken a pryskyřic, aby získal požadované materiálové vlastnosti. Uhlíková vlákna jsou dodávána v různých velikostech, určených v tisících (K) vláken - 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 50K a další. Většina uhlíkových vláken se prodává s modulem pružnosti 33 MSI. Vlákna označovaná Intermediate Modulus (IM vlákna) mají modul 42 MSI. Vlákna HM (High Modul - 55 MSI a vyšší) jsou poměrně drahá a křehká.
Grafitový uhlík, také nazývaný termální uhlík, je „drcený“ uhlíkových vláken, která se mísí s pryskyřicí a vstřikováním se vytváří za extrémního tepla a tlaku. Lze to považovat za tepelně zpracované uhlíkové vlákno. Některá řídítka horských kol, která musí být extrémně pevná a lehká, se vyrábějí pomocí tepelného plastického uhlíkového procesu. Vstřikovaný uhlík nemá dlouhé nepřetržité prameny vláken, které jsou tkané dohromady. Jeho různorodý, smíšený povrch nedává estetickou hodnotu uhlíkových částí s vazbou.
Použití uhlíkových vláken a kompozitů
Uhlíkové vlákno je mimořádně univerzální a dobře se hodí pro aplikace, kde je vyžadována tuhost a nízká hmotnost. Díly mohou být přizpůsobeny tak, aby měly pevnost a tuhost ve směrech a umístěních, které konstruktér považuje za nezbytné, takže je relativně snadné vytvářet složité integrované struktury s vynikajícím celkovým tvarem a hodnotou. Tloušťka materiálu a orientace vláken lze také optimalizovat pro každou aplikaci. Vzory tkaní uhlíkových vláken mohou být orientovány tak, aby umožňovaly různou směrovou pevnost, torzní tuhost, laterální tuhost a další specifické mechanické vlastnosti. Použití tkaného Kevlaru, běžně známého pro své neprůstřelné aplikace, zvyšuje pouhou pevnost v tahu uhlíkových vláken. Jakmile se přidá Kevlar nebo jakýkoli jiný materiál, uhlíkové vlákno se stane uhlíkovým kompozitem.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Aplikace v cyklistice a motokrosu
V polovině 90. let byl tým Kawasaki první motokrosovou společností, která experimentovala s uhlíkovými vlákny na svých kolech. Později byl tento materiál velmi užitečný při návrhu továrního kola DZO Henryho z roku 1997 YZ400F. Smykové desky, ochranné kryty, chrániče rámů, vodítka řetězů, chrániče disků, chrániče vidlic, ramínka, tlumiče, držáky, zapalovací kryty, kryty spojek, kryty řetězových kol, spořiče, kryty tanků, svorkové svorky, přilby, chrániče kolen a zápěstí a krční šle jsou vyrobeny z uhlíkových vláken. Jiné součásti z uhlíkových vláken pro motokrosová kola se používají k dosažení chladnějších provozních teplot.
Firma Duratec ve své dílně vyrábí kompozitové monokoky použitím unikátní technologie AFCF vyvinuté ve Vývojovém centru DURATEC a používá vysokomodulární grafitizovaná vlákna (HM - High Modulus). Vysoký modul vláken znamená výrobu z jemnějších uhlíkových vláken s vyšším "Youngovým modulem" - vyšší tuhost a pevnost. Uhlíkové vlákno je mimořádně univerzální a dobře se hodí pro aplikace, kde je vyžadována tuhost a nízká hmotnost, a jsou tedy ideální pro stavbu tuhých rámů. Výhodou kompozitů je především úspora hmotnosti. Díky tomu je možné dosáhnout vysoké pevnosti při nižší hustotě. Lze také využít anizotropie materiálu a optimalizovat vlastnosti pro různé směry zatížení. Uhlíkové kompozity Midwest jsou jednosměrné, všechna vlákna jsou orientována v podélném směru, což jim dodává vysokou pevnost v tahu.
Cena a životnost
Cena a hmotnost jsou stále primárními omezovači širokého využití uhlíkového kompozitního materiálu na motokrosových kolech. Rozdíly v ceně karbonových rámů se pohybují od 18 tis. Kč až k 80 tis. Kč. Cena materiálu je závislá na technických požadavcích na modul pružnosti. Čím vyšší nároky, tím vyšší cena. Rozdíl v ceně může být způsoben též zvolenou technologií výroby karbonových rámů, která se neustále vyvíjí. Náklady na vývoj se hradí z prodeje výrobků a tím dochází k ovlivnění ceny finálního výrobku. Požadovaná pevnost a tuhost konstrukce rámu závisí na zkušenostech konstruktéra, který dimenzuje rám a tím ovlivňuje jeho vlastnosti zejména skladbou a počtem střihů na 1 ks rámu. Snížením počtu střihů dochází ke snížení spotřebovaného materiálu, ale zároveň toto snížení ovlivní i výsledné mechanické - jízdní - vlastnosti. Počet střihů snižuje i časové nároky na položení střihů a tím zlevňuje výrobu. Dalšími faktory ovlivňujícími cenu výrobku může být opakovatelnost použití formy a dále pak klasické ukazatele nákladů jako je sériovost, cena pracovní síly, režie provozu atd.
V průběhu času má uhlíkové vlákno tendenci stárnout a vysychat. To lze zmírnit několika opatřeními. Po umytí vašeho motocyklu použijte ochranný prostředek nebo silikon, abyste obnovili lesklý vzhled uhlíkových vláken. Nejlepší věc, kterou můžete použít na části z uhlíkových vláken, je Maxima SC1. Dejte pozor, abyste se nedostali na brzdové rotory. Vždy ji můžete nanést na hadřík a poté pomocí ošetřeného hadříku otřete uhlíkové vlákno. Nevýhodou kompozitů je neopravitelnost a neservisovatelnost. V případě nehody, pádu atd., není možná repase rámu.
Výroba kompozitních materiálů uhlík/uhlík (C/C)
Kompozitní materiál uhlík/uhlík (C/C) je kompozitní materiál vyztužený uhlíkovými vlákny s řadou vynikajících vlastností, jako je vysoká pevnost a modul, lehká měrná hmotnost, malý koeficient tepelné roztažnosti, odolnost proti korozi, odolnost proti tepelným šokům, dobrá odolnost proti tření a dobrá chemická stabilita. Jedná se o nový typ kompozitního materiálu pro ultravysoké teploty. C/C kompozitní materiál je vynikající tepelně strukturně-funkční integrovaný inženýrský materiál. Stejně jako ostatní vysoce výkonné kompozitní materiály se jedná o kompozitní strukturu složenou z fáze vyztužené vlákny a základní fáze. Rozdíl je v tom, že zesílená fáze i základní fáze jsou složeny z čistého uhlíku se speciálními vlastnostmi. Kompozitní materiály uhlík/uhlík jsou vyrobeny hlavně z uhlíkové plsti, uhlíkové tkaniny, uhlíkových vláken jako výztuže a napařovaného uhlíku jako matrice, ale mají pouze jeden prvek, kterým je uhlík. Za účelem zvýšení hustoty je uhlík generovaný karbonizací impregnován uhlíkem nebo impregnován pryskyřicí (nebo asfaltem), to znamená, že kompozitní materiály uhlík/uhlík jsou vyrobeny ze tří uhlíkových materiálů.
Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět
Proces výroby kompozitních materiálů uhlík-uhlík
- Výběr uhlíkových vláken: Základem výroby je výběr svazků uhlíkových vláken a konstrukční návrh vláknitých tkanin C/C kompozitu. Mechanické vlastnosti a termofyzikální vlastnosti C/C kompozitů lze určit racionálním výběrem typů vláken a parametrů tkaní tkaniny, jako je orientace uspořádání svazku příze, rozteč svazku příze, objemový obsah svazku příze atd.
- Příprava předlisku z uhlíkových vláken: Předlisek z uhlíkových vláken se týká polotovaru, který je vytvarován do požadovaného strukturálního tvaru vlákna podle tvaru produktu a požadavků na výkon za účelem provedení procesu zhušťování. Existují tři hlavní způsoby zpracování předtvarovaných konstrukčních dílů: měkké tkaní, tvrdé tkaní a měkké a tvrdé smíšené tkaní. Hlavními procesy tkaní jsou: tkaní suchou přízí, předem impregnované uspořádání skupin tyčí, jemné propíchnutí tkaní, navíjení vláken a trojrozměrné vícesměrné celkové tkaní. V současnosti je hlavním procesem tkaní používaným v kompozitních materiálech C trojrozměrné celkové vícesměrné tkaní. Během procesu tkaní jsou všechna tkaná vlákna uspořádána v určitém směru. Každé vlákno je posunuto pod určitým úhlem podél svého vlastního směru a vzájemně propleteno, aby vytvořilo tkaninu. Jeho charakteristikou je, že může tvořit trojrozměrnou vícesměrnou celkovou tkaninu, která může účinně řídit objemový obsah vláken v každém směru kompozitního materiálu C/C, takže kompozitní materiál C/C může vykazovat rozumné mechanické vlastnosti ve všech směrech.
- Proces zahušťování C/C: Stupeň a účinnost zhuštění ovlivňuje především struktura tkaniny a procesní parametry základního materiálu. V současnosti používané procesní metody zahrnují impregnační karbonizaci, chemickou parní depozici (CVD), chemickou parní infiltraci (CVI), chemickou kapalinovou depozici, pyrolýzu a další metody. Existují dva hlavní typy procesních metod: proces impregnační karbonizace a proces infiltrace chemických par.
Impregnace-karbonizace v kapalné fázi
Metoda impregnace kapalnou fází je v zařízení relativně jednoduchá a má širokou použitelnost, takže metoda impregnace kapalnou fází je důležitou metodou pro přípravu kompozitních materiálů C/C. Jedná se o ponoření předlisku vyrobeného z uhlíkových vláken do kapalného impregnantu a přimět impregnant plně proniknout do dutin předlisku tlakováním a poté pomocí řady procesů, jako je vytvrzování, karbonizace a grafitizace, nakonec získat C/C kompozitní materiály. Jeho nevýhodou je, že k dosažení požadovaných hustot je zapotřebí opakovaných impregnačních a karbonizačních cyklů. Složení a struktura impregnantu v metodě impregnace v kapalné fázi jsou velmi důležité. Neovlivňuje pouze účinnost zahušťování, ale ovlivňuje také mechanické a fyzikální vlastnosti produktu. Zlepšení výtěžku karbonizace impregnantu a snížení viskozity impregnantu byly vždy jedním z klíčových problémů, které bylo třeba vyřešit při přípravě C/C kompozitních materiálů metodou impregnace v kapalné fázi. Vysoká viskozita a nízký výtěžek karbonizace impregnantu jsou jedním z důležitých důvodů vysokých nákladů na C/C kompozitní materiály. Zlepšení výkonu impregnantu může nejen zlepšit efektivitu výroby C/C kompozitních materiálů a snížit jejich cenu, ale také zlepšit různé vlastnosti C/C kompozitních materiálů.
Antioxidační úprava C/C kompozitních materiálů
Uhlíkové vlákno začíná oxidovat při 360°C na vzduchu. Grafitové vlákno je o něco lepší než uhlíkové vlákno a jeho oxidační teplota začíná oxidovat při 420 °C. Oxidační teplota C/C kompozitních materiálů je asi 450 °C. C/C kompozitní materiály se velmi snadno oxidují ve vysokoteplotní oxidační atmosféře a rychlost oxidace se rychle zvyšuje s rostoucí teplotou. Pokud neexistují žádná antioxidační opatření, dlouhodobé používání C/C kompozitních materiálů ve vysokoteplotním oxidativním prostředí nevyhnutelně způsobí katastrofální následky. Proto se antioxidační úprava C/C kompozitních materiálů stala nepostradatelnou součástí procesu jejich přípravy. Z hlediska antioxidační technologie ji lze rozdělit na vnitřní antioxidační technologii a technologii antioxidačního nátěru.
Chemická fáze páry
Chemická depozice z plynné fáze (CVD nebo CVI) spočívá v ukládání uhlíku přímo do pórů polotovaru, aby se dosáhlo vyplnění pórů a zvýšení hustoty. Uložený uhlík se snadno grafitizuje a má dobrou fyzikální kompatibilitu s vláknem. Nesmršťuje se při rekarbonizaci jako metoda impregnace a fyzikální a mechanické vlastnosti této metody jsou lepší. Pokud se však během procesu CVD na povrchu polotovaru usadí uhlík, zabrání to difuzi plynu do vnitřních pórů. Uhlík usazený na povrchu by měl být mechanicky odstraněn a poté by mělo být provedeno nové kolo nanášení. U tlustých výrobků má metoda CVD také určitá úskalí a cyklus této metody je také velmi dlouhý.
Pultruze
Uhlíkové kompozity Midwest jsou jednosměrné, všechna vlákna jsou orientována v podélném směru. Kompozitní profily stálého průřezu se vyrábějí často metodou pultruze, což je kontinuální proces. Vlákna se odvíjejí z cívek a procházejí impregnací pryskyřicí. Následně se formují do požadovaného průřezu vyráběného profilu, protahují se vytvrzovací matricí, kde dochází k zformování a vytvrzení. Na konci linky je profil dělen na požadované délky. Tyče, trubky a hranoly se vyrábějí pultruzí. Uhlíkové tyčky se vyrábějí v celé řadě průměrů. Vyrábějí se i uhlíkové trubky, které se po vytvrzení kompozitu vyjmou. Také profily čtvercového průřezu s válcovou dutinou. Lze je dělit rozbrušovacími kotoučovými nástroji. Při dělení je vhodné použít brýle a ochranu dýchacích cest, jelikož se drobné části rozptýlí ve vzduchu, zapichují se do kůže a vnikají do očí.
Izolace z uhlíkových vláken
Uhlíkové vlákno je velmi univerzální a dobře se hodí pro aplikace, kde je vyžadována tuhost a nízká hmotnost. Uhlíkové vlákno je nejlehčí a nejsilnější materiál na známou hmotu. Jedná se o polovinu hmotnosti hliníku s trojnásobnou pevností.
Čtěte také: Radon a asfaltová izolace
Pro izolaci domu je nutné posuzovat nejen tepelněizolační vlastnosti materiálu, ale i materiál, ze kterého je izolace vyrobena. Jednou ze základních vlastností tepelně-izolačních materiálů je difuzní odpor (označuje se μ) a také to, že mají velmi malou schopnost vodit teplo. Tuto schopnost popisujeme prostřednictvím součinitele tepelné vodivosti, který se označuje písmenem λ (lambda).
Tabulka součinitelů tepelné vodivosti pro různé izolační materiály
| Materiál | Součinitel tepelné vodivosti λ [W/(m.K)] | Poznámky |
|---|---|---|
| Pěnový polystyren (běžný) | 0,035 - 0,040 | Velmi lehký a pevný, nízká cena, difúzně uzavřený. |
| Pěnový polystyren (šedý) | Zhruba 0,034 | O 20-25% lepší izolační účinky než běžný. |
| Extrudovaný polystyren | Zhruba 0,030 | Uzavřené póry, odolný vůči nasákavosti (sokly, vlhká místa). |
| Pěnový polyuretan (PUR) | 0,023 - 0,032 | Velká odolnost vůči nízkým i vysokým teplotám (-50 °C až 130 °C). |
| Pěnové sklo | 0,041 - 0,048 (granulát 0,08) | Parotěsné, nenasákavé, nehořlavé, ekologické (recyklované sklo). |
| Skelná vlna | Zhruba 0,032 - 0,05 | Nízký difúzní odpor, vysoká paropropustnost, velká nasákavost. |
| Minerální vlna | 0,038 - 0,05 | Podobná skelné vlně, vhodná na fasády, střechy, nehořlavá. |
| Dřevovláknité desky | 0,038 - 0,05 | Ekologické, propouští vodní páru, dobrá zvuková izolace. |
| Konopí | 0,035 - 0,050 | Dobře propouští vodu, kombinace s retardéry hoření pro větší ohnivzdornost. |
| Sláma | 0,052 - 0,08 | Prověřené staletími, závisí na uspořádání vláken a proudění vzduchu. |
| Ovčí vlna | Zhruba 0,04 | Ekologická, zdravotně neškodná, trvanlivá, přizpůsobivá. Musí být ošetřena proti hmyzu a plísním. |
| Celulózová izolace | Přibližně 0,04 | Recyklace novinového papíru, tepelná i zvuková ochrana, snadná aplikace foukáním. |
| Expandovaný perlit | Přibližně 0,04 | Lehká pórovitá látka, nehořlavý, odolný vůči vlhkosti, mikroorganismům a plísním. |
| Vakuová izolace (VIP) | 0,006 - 0,008 | Mimořádně výborné tepelněizolační vlastnosti, 10x lepší než běžné izolanty. |
Uhlíkové vlákno je mimořádně univerzální a dobře se hodí pro aplikace, kde je vyžadována tuhost a nízká hmotnost. Díly mohou být přizpůsobeny tak, aby měly pevnost a tuhost ve směrech a umístěních, které konstruktér považuje za nezbytné, takže je relativně snadné vytvářet složité integrované struktury s vynikajícím celkovým tvarem a hodnotou.
tags: #izolace #z #uhlikovych #vlaken #vlastnosti #použití