Włókno węglowe

Porównanie włosa ludzkiego (jasny) i pojedynczej nici włókna węglowego

Tkanina z włókna węglowego

Włókno węglowe (włókno karbonizowane) – włókno powstające w wyniku kontrolowanej pirolizy poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych, składające się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu.

Ich wysoce zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie. Włókna te są stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach. Dodatek włókien węglowych powoduje też wzmocnienie żagli jachtowych oraz powoduje polepszenie właściwości materiału, z którego wykonywane są namioty.

Włókna węglowe dzieli się na dwa rodzaje^[1]:

• Właściwe włókna węglowe, które zawierają 80-98% węgla, ich grafitowa struktura jest słabo rozwinięta i mało zorientowana; włókna węglowe z poliakrylonitrylu mają moduł Younga E ok. 90 GPa, a wytrzymałość na rozciąganie Rm ok. 900 MPa.
• Włókna grafitowe zawierające ok. 99% węgla z dobrze wykształconą i zorientowaną grafitową strukturą krystaliczną; włókno grafitowe z poliakrylonitrylu mają moduł E ok. 420 GPa, wytrzymałość Rm ok. 2500 MPa.

Otrzymywanie

Włókna prekursora PAN tworzone są z roztworów przędzalniczych. Na dyszę przędzalniczą posiadającą wiele niewielkich kapilar wytłaczany jest skoncentrowany roztwór prekursora. Wychodzący z kapilar prekursor jest chłodzony oraz zestala się. Pożądana jest średnica włókna prekursora wynosząca około 10-15 μm. Ponadto włókno prekursora powinno charakteryzować się dużą zawartością węgla, co gwarantuje uzyskanie włókna węglowego o średnicy wynoszącej około 7μm i zawartości węgla wynoszącej powyżej 90%^[2][3].

Zastosowania

Włókno węglowe stosowane jest coraz częściej w przemyśle jako zbrojenie laminatów opartych na żywicach epoksydowych wysokiej jakości. Stosowane jest szczególnie tam gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość produktu w połączeniu z małym ciężarem. Przykładowo przemysł energetyczny wykorzystuje takie laminaty do produkcji łopat elektrowni wiatrowych, w przemyśle lotniczym do wytwarzania śmigieł i komponentów wzmacniających strukturę kadłuba i skrzydeł, w produkcji jachtów do elementów szczególnie narażonych na duże obciążenia jak stery, miecze, maszty, kadłub, a nawet jako wzmocnienie żagli, w przemyśle sportowym (rowery, wędki, łuki sportowe, podeszwy obuwia). Od dawna materiał ten stosowany jest w dziedzinie sportów ekstremalnych, pojazdy Formuły 1 zbudowane są w dużej mierze z kompozytów zawierających włókna węglowe.

Laminaty i materiały kompozytowe oparte na włóknach węglowych bywają nazywane żargonowo karbonami.

Przypisy