Uhlíkových vláken se skládá z vláken velmi jemná, asi pět až deset mikrometrů v průměru, a skládá se hlavně z uhlíkových atomů . Ty jsou aglomerovány do mikroskopických krystalů, které jsou vyrovnány víceméně paralelně s dlouhou osou vlákna. Díky vyrovnání krystalů je vlákno extrémně silné pro svou velikost. Několik tisíc uhlíkových vláken je navinuto dohromady za vzniku příze, která může být použita jako taková nebo tkaná .
Tento materiál se vyznačuje nízkou hustotou (1,7 až 1,9), vysokou pevností v tahu a tlaku, pružností, dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí , teplotní odolností a chemickou setrvačností (kromě oxidace).
Jeho hlavním použitím je sloužit jako výztuž v kompozitních materiálech , což umožňuje získat součásti, které mají dobré mechanické vlastnosti a jsou podstatně lehčí než kovové části.
První aplikací uhlíkových vláken bylo ve vývoji přízí pro žárovky. Joseph Swan vyrobil první vlákna v roce 1860. Jednalo se především o karbonizovaná papírová vlákna, poté zlepšil kvalitu uhlíkových vláken pomocí karbonizovaných bavlněných vláken. Od roku 1879 používal Thomas Edison vysokoteplotní karbonizovaná bambusová vlákna. V roce 1880 vylepšil Lewis Latimer postup Thomase Edisona pro získání spolehlivých uhlíkových vláken, což vedlo k provozní době žárovky několik stovek hodin. Od roku 1892 bude od elektrického osvětlení upuštěno ve prospěch osvětlení zahříváním žhavicích objímek pro veřejné osvětlení a od výroby uhlíkových drátů bude upuštěno na několik desetiletí.
V roce 1958 chtěl Roger Bacon (en) určit trojný bod atomů uhlíku zahřátím na vysokou teplotu v obloukové peci, pozoroval tvorbu uhlíkových vláken. Pokračoval ve studiu tvorby těchto vláken, aby dospěl k patentovanému způsobu přípravy. Proces byl založen na karbonizaci viskózových vláken , používal jej Union Carbide (jehož uhlíková větev se později stala Graphtec ). Mechanické vlastnosti těchto vláken však byly omezené, protože jejich obsah uhlíku byl nízký. V roce 1960 Akio Shindo vyrobilo kvalitnější uhlíková vlákna z polyakrylonitrilu (ex-PAN vlákna). Ve stejném období zlepšil Richard Millington výrobní proces vláken z viskózy. Jejich vysoký obsah uhlíku (99%) a jejich dobré mechanické vlastnosti umožnily uvažovat o jejich použití jako výztuže v kompozitních materiálech. Během tohoto desetiletí byl proveden výzkum s cílem najít nové prekurzory uhlíku pro získání vláken. Vedou k procesům výroby uhlíkových vláken z ropné smoly.
V roce 1963 vyvinuli W. Watt, LN Phillips a W. Johnson (Royal Aircraft Establishment ve Farnborough, Hampshire) postup výroby kompozitních materiálů. Společnost Rolls-Royce používá tento proces k výrobě lopatek kompresoru pro své motory RB211 . Tyto kompozity jsou však citlivé na otřesy ( např. Kolize s ptáky), které omezí jejich použití v letectví. Ve stejném období japonská vláda velmi aktivně podporovala rozvoj průmyslové výroby uhlíkových vláken a tuto činnost rozvíjelo několik společností ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japonsko se stává lídrem v oblasti uhlíkových vláken vyrobených z PAN.
V 70. letech na světovém trhu dominoval Union Carbide, který používal proces Toray. Společnost Courtaulds je jediným významným britským dodavatelem. Tato společnost zůstane důležitým dodavatelem kompozitních materiálů pro aplikace ve sportu až do konce 80. let. USA a Evropa rovněž podporují společnosti jako BASF , Celanese nebo Akzo, aby rozvíjely průmyslovou výrobu uhlíkových vláken.
Od konce 70. let 20. století vedlo mnoho vývoje k výrobě vláken s mechanickými vlastnostmi vhodnými pro mnoho různých aplikací. Rozlišuje se hlavně mezi vlákny s vysokým modulem a vlákny s vysokou houževnatostí. Poptávka po kompozitních materiálech neustále roste, hlavně kvůli leteckému, obrannému a větrnému průmyslu. To vedlo ke vzniku nových hráčů na tomto trhu, jako je Čína nebo Jižní Korea. V poslední době vedla potřeba nahradit prekurzory uhlíku z fosilních zdrojů prekurzory na bázi biologických látek k výzkumné činnosti v oblasti vláken na bázi ligninu . Kompozitní vlákna byla také vyvinuta s použitím uhlíkových nanotrubiček jako struktury.
Můžeme citovat tři hlavní skupiny vláken používaných ve velkém měřítku:
Vlákna získaná chemickou depozicí par z prekurzoru uhlíku, jako je benzen, mají různé vlastnosti a použití a obecně se jim říká „ uhlíková nanovlákna “.
Uhlíkové vlákno je materiál s velmi vysokým obsahem uhlíku (více než 90% hmotnostních). Na atomové úrovni je vlákno složeno z polyaromatických uhlíkových desek naskládaných ve struktuře, která může být velmi blízká struktuře grafitu , ale která může být také neuspořádanější než grafit (turstratický uhlík, ve kterém skládání uhlíkových desek zahrnuje chyby). Úroveň grafitizace vláken závisí na použitém prekurzoru, ale také na použité metodě výroby. Uspořádání svazků uhlíkových desek tvoří mikrostrukturu uhlíkových vláken, záleží také na uhlíkovém prekurzoru a na procesu syntézy.
Toray M40 s vysokým modulem ex-PAN vlákna.
Vlákno Toho Tenax.
Celion ex-viskózové uhlíkové vlákno.
Vlákno je jednorozměrný materiál, je to uspořádání vláken ve dvou nebo třech rozměrech, které umožní získat C / C kompozitní část mající dobré mechanické vlastnosti. Vlastnosti použití uhlíkových vláken jsou proto charakterizovány v podélném směru vlákna.
Průměr uhlíkových vláken je nyní mezi 5 a 10 um. Hustota uhlíkových vláken je řádově 1,7. To umožňuje navrhovat kompozitní materiály mající podobnou hustotu, což představuje velmi významné snížení ve srovnání s kovovými materiály.
Hlavním využitím uhlíkových vláken je výroba kompozitních materiálů se zlepšenými mechanickými vlastnostmi za snížené hmotnosti. Mechanické vlastnosti jsou proto základní charakteristikou vlákna. Používají se hlavně dva parametry:
Vlákno s vysokým modulem pružnosti se bude deformovat velmi málo, ale může se zlomit při mírném namáhání. Používá se jako výztuž a může vést k materiálu, který má křehký charakter. Tento typ vlákna se nazývá vlákno s vysokým modulem. Vlákno, které má mírnější modul pružnosti, bude mít větší pevnost v tahu, může dávat kompozitnímu materiálu lepší pevnost v tahu, ale větší deformovatelnost. Pokud má uhlíkové vlákno velmi grafitový charakter a velmi uspořádanou strukturu, bude mít vysoký modul pružnosti, na druhou stranu bude mít křehký charakter. Ovládání této struktury se získá výběrem prekurzoru (vlákno ex-pitch je obecně grafitičtější než vlákno ex-PAN), ale také použitím tepelného zpracování při velmi vysoké teplotě.
Protože uhlíková vlákna jsou složena z grafitických domén, využívají výhod elektrických vlastností grafitu . Grafit je anizotropní materiál, který má velmi dobrou elektrickou vodivost ve směru grafenových rovin. Protože jsou grafitické domény orientovány ve vláknech v podélném směru, vykazují vlákna také dobré tepelné a elektrické vlastnosti ve směru příze. Elektrický odpor z vláken, a proto klesá, pokud jeho grafitové zvyšuje charakter, hodnoty se pohybují od 900 uQ cm vysoký modulus vláken (až 350 500 GPa ) až 1650 uQ cm pro vlákna, které mají nižší modul pružnosti (200 až 300 GPa ). Tepelná vodivost je také závislá na struktuře, může se pohybovat v rozmezí od 20 W m -1 K -1 pro vláken mezilehlé modulu do 80 W m -1 K -1 pro vlákna s vysokým modulem.
Vlákna získaná z polyakrylonitrilu představují hlavní část výztuží používaných v kompozitech. To je způsobeno skutečností, že mohou mít dobré mechanické vlastnosti při nízkých výrobních nákladech. PAN je polymer, který má vzorec [-CH 2 -CH (CN) -] n . Kroky výroby jsou následující:
Vlákna ex-pitch lze získat z několika typů prekurzorů:
Složení hřiště se velmi liší v závislosti na způsobu výroby a použitém předchůdci. Ve všech případech obsahuje vysoký podíl aromatického uhlíku ve formě polyaromatických molekul s molární hmotností 400 až 600 g / mol. Vlákna získaná z dřevěného uhlí mohou obsahovat pevné uhlíkové částice, které mohou zeslabovat získaná uhlíková vlákna, proto se přednostně používá ropná smola.
Hlavním předchůdcem tohoto typu vlákna je celulóza . Tento materiál se nazývá „hedváb“, normální tvar hedvábí se nazývá „ viskóza “. Vývoj hedvábného vlákna zahrnuje několik fází:
Z hedvábné příze jsou kroky pro získání uhlíkových vláken podobné těm, které jsou uvedeny pro vlákna ex-PAN.
Lignin je nejhojnější biopolymer obsahující aromatické struktury, to znamená mezi 15 a 30% rostlin. Jedná se o materiál, který je dnes k dispozici za velmi nízké náklady, například jako vedlejší produkt při výrobě papíru . Jeho chemická struktura složená z aromatických struktur spojených dohromady za vzniku dvojrozměrné sítě a termoplastický charakter tohoto polymeru umožňují jeho extrudování za účelem získání vláken a jeho tepelné zpracování za účelem získání uhlíkových vláken. Proces výroby uhlíkových vláken z ligninu je proto velmi podobný postupu uvedenému v předchozích odstavcích.
Jednou z obtíží je, že lignin může mít odlišnou strukturu a fyzikální vlastnosti v závislosti na rostlině, ze které pochází, a na postupu použitém k jeho oddělení od ostatních složek rostlin. Může také obsahovat nečistoty. Vláknové podmínky extruze, které jsou závislé na teplotě skelného přechodu ( T v ), a proto musí být zvolen v závislosti na použitém ligninu. Konečné vlastnosti uhlíkových vláken se navíc mohou lišit v závislosti na počátečním složení ligninu. Navzdory těmto obtížím má lignin mnoho výhod: je to materiál získávaný z biologických zdrojů, jehož cena je nízká, má dobrý výtěžek uhlíku a jeho termoplastický charakter umožňuje vyvíjet účinné výrobní procesy. První patenty na toto téma od 1960, ale výzkum na optimalizaci těchto vláken a integrace výrobních procesů v pojetí bio-rafinérie se stala velmi aktivní od začátku XXI -tého století ( např. Evropský program LIBRE Lignin Uhlíková vlákna na bázi kompozitů ).
Bylo vyvinuto několik procesů k výrobě přízí obsahujících uhlíkové nanotrubice . Můžeme citovat:
Vlastnosti získaných vláken jsou velmi závislé na nanotrubičkách a použité metodě. Určené aplikace pro tento typ vláken jsou obecně technické textilie.
Uhlíková vlákna se používají hlavně jako výztuž v kompozitních materiálech . Umožňují získat konstrukční části, které mají dobré mechanické vlastnosti: tuhost, odolnost proti praskání atd. , zatímco má nízkou hustotu ve srovnání s kovovými materiály.
Obvykle se vkládají do kompozitního materiálu ve formě zkřížených nití nebo tkaných vrstev, do materiálu se poté infiltruje matrice, aby se vytvořil požadovaný díl. Pro danou místnost je nutné vypočítat optimální uspořádání optické sítě. Vývoj těchto dílů proto přichází za cenu, což znamená, že kompozitní materiály na bázi uhlíkových vláken se používají hlavně v kritických aplikacích.
Hlavní oblastí použití je letecký a kosmický průmysl:
Konkurenční sport také široce používá kompozitní materiály, a to jak pro svou nízkou hmotnost, tak pro své zlepšené mechanické vlastnosti:
Uhlíková vlákna se používají při výrobě nástrojů :
V jiných oblastech můžeme také citovat:
Tkaniny z uhlíkových vláken také nacházejí použití samostatně:
Tkanina z uhlíkových vláken.
Uhlíková brzda Airbus A330 / A340.
Zadní část těla automobilu Champ Car
Armin Bachmann (de) pózuje se dvěma kusy alphornu , jedním ze dřeva a druhým z uhlíkových vláken.