כיצד מייצרים סיבי פחמן?
סיבי פחמן עשויים מסיבי פוליאקרילוניטריל (PAN). סיבי PAN אלו מתקבלים באמצעות פילמור, ספינינג ומתיחה של פולימרים. שרשראות הפולימר שהתקבלו מסודרות לאורך כיוון ציר הנימה. זה חיוני להשגת המאפיינים של סיבי פחמן.
לאחר מכן, סיבי PAN מומרים לסיבי פחמן באמצעות תהליך התפחה. השלב הראשון נקרא חמצון, מה שהופך את סיבי הפולי-אקרילוניטריל ללא דליקים. חמצון מתרחש בין 200 ל-300 מעלות צלזיוס. בשלב זה, מתח מופעל על חוטי הסיבים כדי להבטיח ששרשרות הפולימר יישארו מיושרות כהלכה.
בשלב הבא, הנקרא פחמן, חום מופעל על הסיבים כדי להסיר אטומי פחמן שאינם ולשמור רק על אטומי פחמן. בטמפרטורה של כ-1500 מעלות צלזיוס, סיבי פוליאקרילוניטריל מחומצנים מגיבים באווירה אינרטית ליצירת מטוסי גרפיט אופייניים של סיבי פחמן.
סיבי פחמן יכולים לעבור טיפול חום שני בטמפרטורות מעל 2 מעלות צלזיוס. תחת פעולת החום, המבנה הגבישי של סיבי הפחמן הופך לסיבי פחמן עם מודול גבוה.
לאחר מכן, סיבי הפחמן עוברים טיפול פני השטח: אלקטרוליזה כימית. זה מאפשר השתלת קבוצות חמצן על פני החוט. קבוצות חמצן אלו מכינות את הסיבים לחלק הסופי של תהליך הפחממה: יישום טיפול גודל. יישום דבק משמש לקידום ההדבקה בין סיבים ומטריצת פולימר בחומרים מרוכבים. זה מייעל את העיבוד הבא של סיבי פחמן.
מאפיינים של סיבי פחמן
תכונות קלות משקל
סיבי פחמן קלים מאוד מכיוון שהמסה האטומית של אטומי הפחמן נמוכה מאוד. בנוסף, המבנה הכימי המורכב ממישורי גרפיט המסודרים בגבישים מביא למרווח גדול יותר בין אטומי פחמן.
ביצועים מכניים
סיבי פחמן חזקים ונוקשים מאוד (מודלוס גבוה). קשרים קוולנטיים קושרים אטומי פחמן במישור הגרפיט. הקשרים הכימיים הללו יציבים מאוד: בשל האלקטרונים המשותפים בין אטומי הפחמן, נדרשת כמות גדולה של אנרגיה כדי לשבור קשרים קוולנטיים.
גם למבנה של סיבי פחמן תפקיד חשוב בחוזק ובהתנגדות של חומרים.
לכן, לחומרים מרוכבים מפחמן יש חוזק מתיחה, מודולוס ועמידות בפני עייפות שאין שני להם.
ביצועים תרמיים
סיבי פחמן עמידים בחום. בשימוש בטמפרטורות עבודה גבוהות, סיבי פחמן לא יתפרקו או יתרחבו.
על מנת לנצל באופן מלא את התכונות התרמיות שלו, סיבי פחמן משולבים לפעמים עם מטריצה קרמית ליצירת תרכובות מטריצות קרמיות (CMC). לכן, פחמן יכול להיחשב כחומר קרמי. לכן, CMCs עדיין יכולים לשמור על מאפייני הפחמן שלהם בטמפרטורות מעל 2 מעלות צלזיוס.
מוליכות והתנגדות
לסיבי פחמן יש מוליכות. תחת זרם חשמלי, סיבי פחמן מייצרים חום ג'ול. בשל מוליכותו ועמידות החום המצוינת, הוא מספק פתרון חימום מצוין. ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים מפחמן גם כדי להגן על מכשירים אלקטרוניים מפני הפרעות רדיו או אלקטרומגנטיות. לכן, חומרים מרוכבים מפחמן פועלים ככלובי פאראדיי.
חדירות קרני רנטגן
סיבי פחמן מורכבים מיסודות קלים: 95% אטומי פחמן ו-5% חנקן. הוא סופג מעט מאוד קרני רנטגן ומתאים מאוד להדמיה רפואית.
לא דליק
לסיבי פחמן יש מבנה מסודר במיוחד שיכול לגרום לקשרים חזקים רבים בין אטומי פחמן. לכן, תגובת החמצון שנוצרת בשריפה אינה יכולה להיות עצמאית, מה שהופך את החומר הזה ללא דליק.
יישום של סיבי פחמן
סיבי פחמן הם קלים, עמידים ועמידים לאורך זמן, מה שהופך אותו לחומר חדשני. הוא משמש בעיקר לשיפור חומרים מרוכבים. משמש בעיקר ב:
תעשייה אווירית;
תעשיית ספורט ופנאי (אלות גולף, חכות, מסגרות לאופניים);
תעשיית הרכב;
תעשייה ימית;
הנדסה אזרחית;
תעשיית האנרגיה.
סיבי פחמן משמשים בדרך כלל להפחתת משקלם של כלי רכב, מטוסים וצורות אחרות של תחבורה ציבורית. מטוסים העשויים מחומרים מרוכבים מפחמן קלים ב-20% מאלה העשויים מחומרים מסורתיים. הפחתת משקל ב-20% לאורך כל מחזור החיים של מטוס יכולה להפחית את פליטת הפחמן הדו-חמצני ב-2 טון.
תעשיית הרכב: פתרונות אנרגיה מימן
The battery life of hydrogen powered cars is now longer than that of battery powered cars (>500 קילומטרים). בשל אחסון גז מימן דחוס במיכלי לחץ של סיבי פחמן, ניתן להשיג ביצועים אלה. בשל הביצועים הייחודיים שלו, סיבי פחמן הם החומר היחיד שיכול לספק את החוזק הדרוש, קל המשקל וביצועים לטווח ארוך עבור מיכלי דלק אלו.
נייר פחמן הוא גם פתרון לייצור מרכיבי מפתח של תאי דלק של קרום חילופי פרוטונים: ממברנות דיפוזיה של גז.
ייצור סיבי פחמן
סיבי פחמן עשויים מסיבי פוליאקרילוניטריל (PAN). סיבי PAN אלו מתקבלים באמצעות פילמור, ספינינג ומתיחה של הפולימר. שרשראות הפולימר המתקבלות מיושרות לאורך ציר הלהט, שהוא חיוני להשגת התכונות של סיבי פחמן.
לאחר מכן, סיבי ה-PAN הופכים לסיבי פחמן באמצעות תהליך הנקרא פחם. השלב הראשון הוא חמצון, מה שהופך את סיבי הפולי-אקרילוניטריל ללא דליקים. חמצון מתרחש בין 200 ל-300 מעלות. במהלך שלב זה, מתח מופעל על החוטים כדי להבטיח ששרשרות הפולימר יישארו מיושרות כראוי.
בשלב הבא, הנקרא פחמן, מופעל חום על הסיבים כדי להסיר אטומים שאינם פחמן ולשמור רק על אטומי הפחמן. ב-1,500 מעלות לערך, סיבי הפולי-אקרילוניטריל המחומצן מגיבים באווירה אינרטית ליצירת מישורי גרפיט אופייניים של סיבי פחמן.
סיבי פחמן יכולים לעבור טיפול חום שני בטמפרטורות מעל 2,000 מעלות. בהשפעת החום, המבנה הגבישי של סיבי הפחמן הופך לסיבי פחמן בעל מודול גבוה.
לאחר מכן, סיבי פחמן עוברים טיפול פני השטח: טיפול אלקטרוליטי כימי. זה מאפשר השתלה של קבוצות חמצן על פני החוטים. קבוצות חמצן אלו מכינות את הסיבים לחלק הסופי של תהליך הפחממה: יישום המידה. גודל המידה משמש כדי לקדם הידבקות בין הסיבים למטריצת הפולימר של חומרים מרוכבים, תוך אופטימיזציה של העיבוד הבא של סיבי פחמן.
מאפיינים של סיבי פחמן
תכונות קלות משקל
סיבי פחמן קלים מאוד בגלל המסה האטומית הנמוכה של אטומי הפחמן. בנוסף, המבנה הכימי המורכב ממישורי גרפיט המסודרים בגבישים מביא למרווח גדול יותר בין אטומי פחמן.
ביצועים מכניים
סיבי פחמן חזקים ונוקשים במיוחד (מודלוס גבוה). קשרים קוולנטיים מחזיקים את אטומי הפחמן במישורי הגרפיט ביחד. הקשרים הכימיים הללו יציבים מאוד: מכיוון שאטומי פחמן חולקים אלקטרונים, נדרשת כמות משמעותית של אנרגיה כדי לשבור את הקשרים הקוולנטיים.
גם למבנה חוטי הפחמן יש תפקיד מכריע בחוזק החומר ובעמידותו. כתוצאה מכך, לחומרי פחמן מרוכבים יש חוזק מתיחה, מודולוס ועמידות בפני עייפות שאין שני להם.
מאפיינים תרמיים
סיבי פחמן עמידים בחום. הוא אינו מתכלה או מתרחב בעת שימוש בטמפרטורות עבודה גבוהות. כדי לנצל באופן מלא את התכונות התרמיות שלו, סיבי פחמן משולבים לפעמים עם מטריצות קרמיות ליצירת חומרי מטריצה קרמיים (CMC). לכן, פחמן יכול להיחשב כחומר קרמי. כתוצאה מכך, CMCs שומרים על תכונות פחמן אפילו בטמפרטורות מעל 2,000 מעלות.
מוליכות חשמלית והתנגדות
סיבי פחמן מוליכים חשמלית. תחת זרם חשמלי, סיבי פחמן מייצרים חום ג'ול. בשל מוליכותו ועמידות החום המצוינת, הוא מציע פתרונות חימום יוצאי דופן. ניתן להשתמש בחומרי פחמן מרוכבים גם כדי להגן על מכשירים אלקטרוניים מפני הפרעות רדיו או אלקטרומגנטיות, ובכך לפעול ככלוב פאראדיי.
חדירה לקרני רנטגן
סיבי פחמן מורכבים מיסודות קלים: 95% אטומי פחמן ו-5% חנקן. הוא סופג מעט מאוד קרני רנטגן, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומי הדמיה רפואית.
אי דליקות
לסיבי פחמן מבנה מסודר במיוחד הגורם לקשרים חזקים רבים בין אטומי פחמן. כתוצאה מכך, תגובות החמצון המופקות בשריפה אינן יכולות לקיים את עצמן, מה שמעניק לחומר זה את תכונותיו הלא דליקות.
יישומים של סיבי פחמן
סיבי פחמן הם קלים, עמידים וחזקים, מה שהופך אותו לחומר חדשני. הוא משמש בעיקר לחיזוק חומרים מרוכבים. יישומים עיקריים כוללים:
- תעשייה אווירית
- תעשיית ספורט ופנאי (אלות גולף, חכות, מסגרות לאופניים)
- תעשיית הרכב
- תעשייה ימית
- הנדסה אזרחית
- תעשיית אנרגיה
סיבי פחמן משמשים בדרך כלל להפחתת משקלם של כלי רכב, מטוסים וצורות אחרות של תחבורה ציבורית. מטוס עם גוף גוף העשוי מחומרים מרוכבים מפחמן קל יותר ב-20% ממטוס העשוי מחומרים מסורתיים. במהלך חיי המטוס, הפחתת משקל של 20% יכולה להפחית את פליטת ה-CO2 ב-2 טון.
תעשיית הרכב: פתרונות מימן
למכוניות המונעות מימן יש כיום חיי סוללה ארוכים יותר מאשר למכוניות חשמליות (מעל 500 ק"מ). ביצועים אלה אפשריים עקב אחסון מימן דחוס במיכלי לחץ של סיבי פחמן. בשל תכונותיו הייחודיות, סיבי פחמן הם החומר היחיד שיכול לספק את החוזק, הקלות והביצועים לטווח ארוך עבור מיכלים אלה.
נייר פחמן הוא גם פתרון לייצור מרכיבים מרכזיים של תאי דלק של קרום חילופי פרוטונים: שכבות דיפוזיה של גז.