Ιστορία των ινών άνθρακα

Ιστορία των ινών άνθρακα

Ρεύμα, λάμπες, Edison και μπέικον

Οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 1860 για να δημιουργήσουν ένα τόξο μεταξύ δύο φορτισμένων, αγώγιμων ράβδων άνθρακα. Ο ηλεκτρισμός ήταν μια παράσταση τσίρκου τότε και οι ανθρακονήματα, όπως ήταν γνωστά, δεν είχαν καμία απολύτως σχέση με την παροχή των χαρακτηριστικών υψηλής απόδοσης που γνωρίζουμε σήμερα. Ωστόσο, η θερμική αντίσταση και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ινών άνθρακα χρησιμοποιούνται στον φωτισμό, βοηθώντας έτσι στην εύρεση των δομικών στοιχείων που σχηματίζουν ίνες άνθρακα μέσω της «πυρόλυσης». Το 1879, ο Thomas Edison χρησιμοποίησε την πυρόλυση για να παράγει νήματα από ανθρακονήματα, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια μέσα στον πρώτο λαμπτήρα. Αυτά τα νημάτια, που προέρχονται από ακαθαρσίες σε καμένες ίνες βαμβακιού και μπαμπού, καταλήγουν να είναι οι πραγματικές ίνες άνθρακα που μεταφέρουν ηλεκτρισμό.

Μόλις το 1958 ο φυσικός Roger Bacon παρήγαγε τα πρώτα μουστάκια από ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης μέσω μιας διαδικασίας πυρόλυσης. Μελετώντας την τήξη του γραφίτη υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση, ο Bacon ανακάλυψε τη χημεία πίσω από την ενισχυμένη με ανθρακονήματα εξαγωνική δομή. Αυτή η πλούσια σε άνθρακα δομή στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται, διαμορφώνεται σε φύλλο και τυλίγεται συνεχώς σε όλο το μήκος της ίνας. Τα μουστάκια του Bacon παράγουν τις πιο σκληρές και ισχυρές ίνες που είναι γνωστές στον κόσμο. Λίγα χρόνια αργότερα, η Bacon παρήγαγε ένα εμπορικό προϊόν χρησιμοποιώντας έναν πρόδρομο με βάση το ρεγιόν. Οι μηχανικές δυνατότητες των ανθρακονημάτων επιτέλους επικρατούν. Ωστόσο, το κόστος παραγωγής αυτής της ανακάλυψης ήταν αστρονομικό. Για να είμαι ζωντανός,

Pitch and Pan

Η δεκαετία του '70 είναι όπου οι ευφάνταστες ιδιότητες των ανθρακονημάτων άρχισαν να πραγματοποιούνται σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Ο Λέοναρντ Σίνγκερ ανακάλυψε ίνες άνθρακα με βάση την «πίσσα» μελετώντας την ενανθράκωση υλικών με βάση το πετρέλαιο και τον άνθρακα. Η άσφαλτος είναι μια ουσία που μοιάζει με πίσσα που παράγεται με τη θέρμανση του πετρελαίου (ελαίου) σε μια ουσία με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα. Τεντώνοντας τα μόρια πίσσας και επεξεργάζοντάς τα σε υψηλές θερμοκρασίες, διατάσσονται σε εξαιρετικά κρυσταλλικές ίνες άνθρακα. Η εμφάνιση των ινών άνθρακα με βάση το βήμα απέδωσε εξαιρετικά υψηλό συντελεστή (ακαμψία) και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, τα οποία απαιτούνται για εφαρμογές που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες εντός αεροσκαφών. Αν και είναι πολύ δαπανηρή η επεξεργασία, οι ίνες άνθρακα του Singer με βάση το βήμα βρίσκουν χρήση σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας.

Εν τω μεταξύ, ο Ιάπωνας επιστήμονας Akio Shindo επέκτεινε την έρευνα για ανθρακονήματα στην Ιαπωνία χρησιμοποιώντας μια μορφή υψηλής καθαρότητας πολυακρυλονιτριλίου με βάση το πετρέλαιο (PAN). Το PAN, ο πιο κοινός πρόδρομος ανθρακονήματος σήμερα, παράγει υψηλά επίπεδα κρυσταλλικότητας εντός της ίνας, αλλά είναι πιο σκληρός από ποτέ σε ίνες άνθρακα με βάση το pitch ή το ρεγιόν. Η διαδικασία πρόδρομου PAN της Shindo είναι επίσης πιο οικονομική για την παραγωγή ινών άνθρακα υψηλής ποιότητας από ίνες με βάση το πίσσα ή το ρεγιόν.

μπείτε στο mainstream

Καθ' όλη τη διάρκεια των δεκαετιών του 1980 και του 1990, αναγνωρίζεται πλέον ξεκάθαρα μια παγκόσμια προοπτική για τις αεροπορικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές από την κυβέρνηση έως τους εμπορικούς πελάτες. Αυτό οδήγησε σε μια εκθετική αύξηση των επιλογών ανθρακονημάτων για αυτές τις βιομηχανίες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μια σημαντική μείωση του βάρους του αεροσκάφους έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερες επιδόσεις και αποδοτικότητα καυσίμου του αεροσκάφους και ακόμη και των εξαρτημάτων του κινητήρα. Οι μηχανικοί άρχισαν να εργάζονται σε ελαφρύτερες, ισχυρότερες, πιο γρήγορες ιδέες. Τα ανταλλακτικά σχεδιάζονται τώρα, χρησιμοποιώντας υλικό από ανθρακονήματα, για την αντικατάσταση εξαρτημάτων από κράματα με βάση τον χάλυβα και αλουμίνιο. Ωστόσο, οι ίνες άνθρακα είναι ένα δύσκολο υλικό στη μηχανική επεξεργασία σε σύγκριση με τις μεθόδους αφαιρετικής μηχανικής κατεργασίας που κάποτε ήταν γνωστές για την κατασκευή μετάλλων. Με τον χρόνο που αφιερώθηκε στην εκμάθηση και την κατανόηση των μεθόδων κατασκευής ανθρακονημάτων, ο αριθμός των μεταλλικών εξαρτημάτων μειώθηκε και έγινε λιγότερο κοινός σε κάθε αεροσκάφος που σχεδιάστηκε πρόσφατα. Καθώς οι μέθοδοι παραγωγής προχωρούν, το ίδιο συμβαίνει και με την παραγωγή των ίδιων των ινών. Όλα αυτά οδήγησαν σε έκρηξη αυτής της μορφής μαύρου χρυσού, οδηγώντας σε υψηλότερη ζήτηση.

Λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων κατασκευής και επεξεργασίας τους, οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως σε βιομηχανικούς τομείς παγκοσμίως. Μια σταθερή αύξηση της υψηλότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα, κάποια που υπερβαίνει το 90 τοις εκατό άνθρακα, μοιράζεται τα οφέλη της αυξημένης αντοχής ενώ είναι πιο οικονομική για την αγορά. Λόγω των βελτιώσεων στη μηχανική και τον έλεγχο διεργασιών, ο παράγοντας κόστους των ανθρακονημάτων έχει μειωθεί σημαντικά. Η χρήση ανθρακονημάτων έχει ξεπεράσει τις αεροδιαστημικές εφαρμογές και είναι τώρα μια βιώσιμη λύση για ένα διευρυνόμενο φάσμα βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων των μηχανοκίνητων αθλημάτων, της βαρκάδας, των αθλητικών ειδών, των κατασκευών, ακόμη και των επίπλων. Πριν από πενήντα χρόνια, κανείς δεν σκέφτηκε να έχει ένα γραφείο από ανθρακονήματα. Ακόμη και η παραγωγή τόσο ακατέργαστων ινών άνθρακα θα κόστιζε εκατομμύρια δολάρια. Σήμερα, η εφαρμογή ανθρακονημάτων περιορίζεται μόνο στην ανθρώπινη φαντασία μας.