Karbon fiber oluşan lif beş ila on ila yaklaşık, son derece ince mikron çapında, ve temel olarak, karbon oluşmaktadır atomu . Bunlar, lifin uzun eksenine az çok paralel olarak hizalanan mikroskobik kristaller halinde toplanır. Kristallerin hizalanması, lifi boyutuna göre son derece güçlü kılar. Birkaç bin karbon fiber, olduğu gibi veya dokuma olarak kullanılabilen bir iplik oluşturmak üzere birbirine sarılır .
Bu malzeme, düşük yoğunluğu (1.7 ila 1.9), yüksek çekme ve basınç dayanımı , esnekliği, iyi elektriksel ve termal iletkenliği , sıcaklık direnci ve kimyasal ataleti (oksidasyon hariç) ile karakterize edilir.
Ana kullanımı, metal parçalardan önemli ölçüde daha hafif olmakla birlikte iyi mekanik özelliklere sahip parçaların elde edilmesini mümkün kılan kompozit malzemelerde bir takviye görevi görmektir.
Karbon fiberlerin ilk uygulaması, akkor lambalar için ipliklerin geliştirilmesinde olmuştur. Joseph Swan 1860 yılında ilk lifleri üretti. Önce karbonize kağıt filamentler oldu, ardından karbonize pamuk lifleri kullanarak karbon ipliklerin kalitesini iyileştirdi. 1879'dan itibaren Thomas Edison , yüksek sıcaklıkta karbonize bambu lifleri kullandı. 1880'de Lewis Latimer, Thomas Edison'un güvenilir karbon filamentleri elde etme sürecini geliştirdi ve bu da ampulün birkaç yüz saatlik çalışma süresiyle sonuçlandı. 1892'den itibaren, kamu aydınlatması için akkor manşonları ısıtarak aydınlatma lehine elektrikli aydınlatma terk edilecek ve karbon tellerin üretimi birkaç on yıl boyunca terk edilecektir.
1958 yılında Roger Bacon (tr) bir ark ocağında yüksek sıcaklıkta ısıtarak karbon atomlarının üçlü noktasını belirlemek istemiş, karbon filamentlerinin oluşumunu gözlemlemiştir. Patentli bir hazırlama yöntemine ulaşmak için bu filamentlerin oluşumunu incelemeye devam etti. İşlem, viskoz liflerinin karbonizasyonuna dayanıyordu, Union Carbide tarafından kullanılıyordu (karbon dalı daha sonra Graphtec olacaktı ). Ancak bu liflerin mekanik özellikleri, karbon içeriği düşük olduğu için sınırlıydı. 1960 yılında Akio Shindo, poliakrilonitrilden (eski PAN lifleri) daha kaliteli karbon lifleri üretti . Aynı dönemde, Richard Millington, viskozdan elyaflar için üretim sürecini iyileştirdi. Yüksek karbon içeriği (%99) ve iyi mekanik özellikleri, kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılmalarını mümkün kılmıştır. Bu on yıl boyunca, elyaf elde etmek için yeni karbon öncüleri bulmak için araştırmalar yapıldı. Petrol ziftinden karbon lifleri üretme süreçlerine yol açarlar.
1963'te W. Watt, LN Phillips ve W. Johnson (Farnborough, Hampshire'daki Kraliyet Uçak Kuruluşu) kompozit malzemeler yapmak için bir süreç geliştirdi. Rolls-Royce, RB211 motorları için kompresör kanatları üretmek için bu süreci kullanır . Ancak bu kompozitler, havacılıkta kullanımlarını sınırlayacak olan şoklara ( örneğin kuşlarla çarpışmalar) karşı hassastır . Aynı dönemde, Japon hükümeti endüstriyel karbon elyaf üretiminin gelişimini çok aktif olarak destekledi ve birkaç şirket bu faaliyeti geliştirdi ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japonya, PAN'dan yapılan karbon fiberler alanında lider oldu.
1970'lerde dünya pazarına Toray prosesini kullanan Union Carbide hakimdi. Courtaulds şirketi tek büyük İngiliz tedarikçisidir. Bu şirket 1980'lerin sonuna kadar spordaki uygulamalar için önemli bir kompozit malzeme tedarikçisi olmaya devam edecek.Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa ayrıca BASF , Celanese veya Akzo gibi şirketleri endüstriyel karbon elyafı üretimi geliştirmeye teşvik ediyor .
1970'lerin sonlarından bu yana, birçok gelişme, birçok farklı uygulamaya uygun mekanik özelliklere sahip liflerin üretilmesine yol açmıştır. Esas olarak yüksek modüllü lifler ve yüksek mukavemetli lifler arasında bir ayrım yapılır. Özellikle havacılık, savunma ve rüzgar endüstrileri tarafından yönlendirilen kompozit malzemelere olan talep sürekli artmaktadır. Bu durum Çin veya Güney Kore gibi bu pazarda yeni oyuncuların ortaya çıkmasına neden oldu. Daha yakın zamanlarda, fosil kaynaklardan gelen karbon öncüllerini biyo-bazlı öncüllerle değiştirme ihtiyacı, lignin bazlı lifler alanında araştırma faaliyetlerine yol açmıştır . Kompozit lifler de yapı olarak karbon nanotüpler kullanılarak geliştirilmiştir .
Büyük ölçekte kullanılan üç ana lif ailesinden bahsedebiliriz:
Benzen gibi bir karbon öncüsünden kimyasal buhar biriktirme yoluyla elde edilen lifler , farklı özelliklere ve uygulamalara sahiptir ve genellikle " karbon nano lifleri " olarak adlandırılır .
Karbon fiber, çok yüksek karbon içeriğine (kütlece %90'dan fazla) sahip bir malzemedir. Atom seviyesinde, bir fiber, grafite çok yakın olabilen, ancak grafitten daha düzensiz olabilen bir yapıda istiflenmiş poliaromatik karbon levhalardan oluşur (karbon levhalarının istiflenmesinin kusurları içerdiği turbostratik karbon). Liflerin grafitleşme düzeyi, kullanılan öncülün yanı sıra kullanılan üretim yöntemine de bağlıdır. Karbon levha yığınlarının düzeni, karbon liflerinin mikro yapısını oluşturur, ayrıca karbon öncüsüne ve sentez sürecine bağlıdır.
Toray M40 yüksek modüllü ex-PAN fiber.
Toho Tenax lifi.
Celion eski viskon karbon fiber.
Fiber tek boyutlu bir malzemedir, iyi mekanik özelliklere sahip bir C/C kompozit parça elde etmeyi mümkün kılacak fiberlerin iki veya üç boyutlu olarak düzenlenmesidir . Bir karbon fiberin kullanım özellikleri bu nedenle fiberin uzunlamasına yönünde karakterize edilir.
Karbon fiberlerin çapı artık 5 ile 10 µm arasındadır. Karbon liflerinin yoğunluğu 1.7 mertebesindedir. Bu, metalik malzemelere kıyasla çok önemli bir azalmayı temsil eden benzer bir yoğunluğa sahip kompozit malzemeler tasarlamayı mümkün kılar.
Karbon fiberlerin ana kullanımı, azaltılmış ağırlık için geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip kompozit malzemelerin üretimidir. Bu nedenle mekanik özellikler, bir fiberin temel özellikleridir. Esas olarak iki parametre kullanılır:
Yüksek elastisite modülüne sahip bir lif çok az deforme olur, ancak orta gerilimlerde kırılabilir. Takviye olarak kullanıldığında, kırılgan bir karaktere sahip bir malzemeye yol açabilir. Bu tip fibere yüksek modüllü fiber denir. Daha ılımlı bir elastisite modülüne sahip olan bir elyaf, daha büyük bir gerilme mukavemetine sahip olacaktır, bu, kompozit malzemeye daha iyi gerilme mukavemeti ancak daha fazla deforme olabilirlik verebilir. Bir karbon lifi çok grafit karaktere ve çok düzenli bir yapıya sahipse, yüksek bir elastisite modülüne sahip olacak, öte yandan kırılgan bir karaktere sahip olacaktır. Bu yapının kontrolü, öncünün seçimiyle (bir ex-pitch fiber genellikle bir ex-PAN fiberden daha grafitiktir) ve aynı zamanda çok yüksek sıcaklıkta bir ısıl işlemin kullanılmasıyla elde edilir.
Karbon fiberler grafit alanlardan oluştuğu için grafitin elektriksel özelliklerinden yararlanırlar . Grafit, grafen düzlemleri yönünde çok iyi elektriksel iletkenliğe sahip anizotropik bir malzemedir . Liflerde grafit alanlar uzunlamasına yönde yönlendirildiğinden, lifler ayrıca ipliğin yönü boyunca iyi termal ve elektriksel özellikler sergiler. Bu nedenle, bir fiberin elektrik direnci , grafitik karakteri arttıkça azalır, değerler yüksek modüllü bir fiber için (350 ila 500 GPa ) 900 µΩ cm'den daha düşük modüllü lifler için (200 ila 300 GPa ) 1650 µΩ cm'ye kadar değişir . Isı iletkenliği aynı zamanda aşağıdaki yapıya bağlıdır, bu 20 arasında değişebilir Mw -1 K -1 80, ara modül lifler için B m -1 K -1 yüksek modüllü lifler için.
Poliakrilonitrilden elde edilen lifler, kompozitlerde kullanılan takviyelerin büyük bölümünü temsil etmektedir. Bunun nedeni, makul bir üretim maliyetine sahipken iyi mekanik özelliklere sahip olabilmeleridir. PAN formül [CH sahip olan bir polimerdir 2 - CH (CN)] n . Üretim adımları aşağıdaki gibidir:
Ex-pitch lifleri çeşitli öncüllerden elde edilebilir:
Bir ziftin bileşimi, üretim yöntemine ve kullanılan öncüye bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Her durumda, mol kütlesi 400 ila 600 g / mol olan poliaromatik moleküller şeklinde yüksek oranda aromatik karbon içerir. Kömürden elde edilen lifler, elde edilen karbon liflerini zayıflatabilecek katı karbon partikülleri içerebilir, bu nedenle tercihen petrol zifti kullanılır.
Bu lif türünün ana öncüsü selülozdur . Bu malzemeye "rayon", rayonun normal şekline " viskon " denir . Bir suni ipek ipliğinin geliştirilmesi birkaç aşamadan oluşur:
Rayon ipliğinden, karbon elyafı elde etme adımları, eski PAN elyafları için sunulanlara benzerdir.
Lignin bitkilerin 15 ile% 30 arasında temsil ettiği aromatik yapılar ihtiva eden en bol biyopolimerdir. Bugün çok makul bir maliyetle, örneğin kağıt yapımının bir yan ürünü olarak bulunan bir malzemedir . İki boyutlu bir ağ oluşturmak üzere birbirine bağlanan aromatik yapılardan oluşan kimyasal yapısı ve bu polimerin termoplastik karakteri , lif elde etmek için ekstrüde edilmesini ve bir karbon lifi elde etmek için ısıl işleme tabi tutulmasını mümkün kılar . Bu nedenle ligninden karbon lifleri yapma süreci, önceki paragraflarda sunulana çok benzer.
Zorluklardan biri, ligninin geldiği bitkiye ve onu diğer bitki bileşenlerinden ayırmak için kullanılan işleme bağlı olarak farklı yapı ve fiziksel özelliklere sahip olabilmesidir. Ayrıca safsızlıklar içerebilir. Bağlıdır elyaf haddeleme koşulları, bir cam geçiş sıcaklığına ( T h ), bu nedenle kullanılan ligninin bir fonksiyonu olarak seçilmelidir. Ayrıca, karbon fiberin nihai özellikleri, ligninin ilk bileşimine bağlı olarak değişebilir. Bu zorluklara rağmen ligninin birçok avantajı vardır: Maliyeti düşük biyo kaynaklı bir malzemedir, iyi bir karbon verimine sahiptir ve termoplastik karakteri verimli üretim süreçleri geliştirmeyi mümkün kılar. Bu liflerin ve biyo-rafineride bir konsept üretim süreçlerinin entegrasyonu optimizasyonuna ilk 1960'lardan itibaren bu konuda patent ama araştırmalar XXI başından beri çok aktif hale gelmiştir inci (yy örn:. Avrupa programı LIBRE lignin Kompozitler için Bazlı Karbon Elyaflar ).
Karbon nanotüpler içeren iplikler üretmek için çeşitli prosesler geliştirilmiştir . alıntı yapabiliriz:
Elde edilen liflerin özellikleri, nanotüplere ve kullanılan yönteme çok bağlıdır. Bu tip elyaf için amaçlanan uygulamalar genellikle teknik tekstillerdir.
Karbon fiberler esas olarak kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılır . İyi mekanik özelliklere sahip yapısal parçalar elde etmeyi mümkün kılarlar: sertlik, çatlamaya karşı direnç, vb. , metalik malzemelere kıyasla düşük bir yoğunluğa sahipken.
Genellikle çapraz iplikler veya dokuma katlar şeklinde kompozit malzemeye yerleştirilirler, daha sonra istenen parçayı yapmak için malzemeye bir matris süzülür. Belirli bir oda için, fiber ağın optimum düzenini hesaplamak gerekir. Bu nedenle bu parçaların geliştirilmesinin bir maliyeti vardır, bu da karbon fiber bazlı kompozit malzemelerin esas olarak kritik uygulamalarda kullanıldığı anlamına gelir.
Ana uygulama alanı havacılık ve uzay endüstrisidir:
Rekabetçi spor, hem düşük ağırlıkları hem de gelişmiş mekanik özellikleri nedeniyle kompozit malzemeleri yaygın olarak kullanır:
Alet yapımında karbon fiber kullanılır :
Diğer alanlarda şunları da belirtebiliriz:
Karbon fiber kumaşlar da tek başına kullanılan uygulamaları bulur:
Karbon fiber kumaş.
Airbus A330 / A340 karbon freni.
MOD70 sınıfı trimaran
Bir Champ Car arabasının gövdesinin arka kısmı
Armin Bachmann (de) biri ahşap diğeri karbon fiber olmak üzere iki parça alphorn ile poz veriyor .