Hogyan készítsünk erős szénszálat?
Először egy rostlapot és más polimereket nagyon magas hőmérsékletre hevítenek egy oxigénmentes térben. Mivel nincs oxigén, a rost nem tud égni, hanem annyira felforrósodik, hogy csak szénatomok maradnak.
Ezután a szenet stabilizálják és elszenesítik. Ennek során az égésálló szenet magas hőmérsékletre melegítik a szabad levegőn, majd vegyi gázokkal (de nem oxigénnel) töltött kemencébe helyezik, és tovább főzik.
Harmadszor, a lapot lehűtik és különféle kémiai gázokba, köztük oxigénbe merítik, hogy jobb kötési tulajdonságait biztosítsák.
Végül egy epoxigyanta bevonatot visznek fel a lapra, hogy megvédjék a szálakat a károsodástól, amikor termékeket gyártanak. A bevonat összetétele a szál kiindulási anyagától függően változik.
Ezzel az eljárással egyetlen szénszálas lemezt készítünk, amely rendkívül erős építőanyag, de mégis törékeny és bizonyos szempontból könnyen törhető. Ha többet szeretne megtudni arról, hogy a szénszálas lapok hogyan válnak szinte törhetetlenné, olvassa el az alábbi részt: „Könnyen törik a szénszál?”
Fontos tudni, hogy az erős szénszál előállítása rendkívül összetett folyamat, amelyet otthon biztosan nem lehet elvégezni.
Miért olyan erős a szénszál?
A szénszál az egyik legerősebb anyag a Földön a molekulái láncszerű kötéseinek köszönhetően. Ez a szerkezet az összes kémiai reakció és szélsőséges hőmérséklet-változás során jön létre, amelyen a szál átmegy az előállítás során.
A folyamatok több ezer kis szálat kötnek össze és keverik össze epoxival. Ezek a szálak szénszálas réteget alkotnak, amelynek erősségét a szálak pontos orientációja és a rétegben használt szövettípusok befolyásolják.
A szénszál egyetlen rétege általában körülbelül 0,25 mm vastag, és egyáltalán nem túl erős. Valójában ilyen vastagságnál a szénszál nagyon könnyen eltörhető. Lehet, hogy ez ellentétes azzal, amit a szénszál erősségéről tud, de a szilárdság a több réteg egymásra rakása során jön létre, valamint a szálak tájolása és szövése, más néven "felrakás".
A szénszál molekuláris tisztasága is segíti a szorosan kötött szerkezet kialakítását.
Könnyen törik a szénszál?
A rövid válasz az, hogy a fent leírtak szerint lehetséges. A szénszálban az a nagyszerű, hogy szabályozhatja az erősség erejét és irányát. Például, ha azt szeretné, hogy az egyik irányban szupererős legyen, a másikban pedig rugalmasabb legyen, ezt megteheti egy adott típusú szövettel és elrendezéssel.
Egyirányú lapok
Magyarázatként képzeljük el az egyiket a sushi készítéséhez használt faszőnyegek közül. A szőnyeg egy csomó keskeny fa rúdból készül, amelyek egymással párhuzamosan futnak és össze vannak kötve. Az eredmény az, hogy könnyű meghajlítani a szőnyeget, ha a gabonához hajlik. Ha azonban a szemekkel együtt hajlik, a szőnyeg egyáltalán nem hajlik meg könnyen, mert az valójában azt jelentené, hogy elég erősen meg kell hajolni ahhoz, hogy pattintsa a fa rudakat.
A szénszálas lapok párhuzamos rudak sorozatából állnak, hasonlóan a sushi matrachoz. A szénszálban azonban a rudak kezelt szálból készülnek, és sokkal erősebbek, mint a fa. Emiatt elég nehéz eltörni egy szénszálas lapot, ha a rudak irányával azonos irányú nyomást gyakorolunk. Az egyik irányban futó rúdlap egyfajta szénszálas szövethez hasonló, az úgynevezett "egyirányú", ahol az összes szál ugyanabba az irányba fut.
Most képzelje el, hogy két sushi alátétet ragaszt egymásra úgy, hogy az alsó szőnyeg fa rudai az egyik irányba, a felső szőnyeg rúdjai pedig a másik irányba. Most a szőnyegek megtámasztják egymást, és megakadályozzák, hogy egyik irányban is elhajoljanak.
Az egyirányú szénszál segítségével az anyagrétegek egymásra rakása során minden réteggel szabályozhatja a szilárdság irányát. A szilárdsági irány szabályozása a szénszál egyik előnye. Több réteg felhasználásával a végtermék olyan erőssé tehető, amennyire az adott alkalmazáshoz szükséges.
Szőtt lapok
A szőtt szénszálas lapokban a szálak úgy vannak összefonva, mint egy kosár szálai, hogy jobban összetartsanak. Nagyon sokféle szövés létezik, amelyeket számos különböző okból használnak. Lehet esztétikus, vagy egyszerűbb lehet egy bizonyos típusú anyagot formába dolgozni, és/vagy több irányban nagyobb szilárdságú. A felhasznált szövettípusok és a szilárdság szabályozására elhelyezett orientáció mind az elrendezési stratégia kialakításának részét képezik.
Mindegy, hogy milyen szövésű, egyetlen szövött rostlap is elég gyenge lesz, hacsak nem rétegezi őket.
A váltakozó orientációjú (szövött vagy egyirányú) szénszálas lemezkötegek rendkívül erősek, -- akár az acél szilárdságának akár 18-szorosát is.
Lehet-e elégetni a szénszálat?
Nehéz dolga lenne szénszálat elégetni.
Ha felmelegítjük 750 fokra, akkor nagyon lassan fog égni mindaddig, amíg égő tüzelőanyag-forrást alkalmaznak rá. De még ezen a ponton is az égés leáll, amint az üzemanyagforrást eltávolítják.
Ezt a korlátozott égést a gyanta és a szálban lévő szén okozza, mivel maga a szén nem ég el. Az egyetlen ok, amiért a rostok égnek, az az, hogy a benne lévő nem szénkomponensek megégnek.
Különböző típusú gyanták léteznek, amelyek különböző hőfajtákat képesek támogatni. Egy tipikus epoxigyanta körülbelül 200 Fahrenheit-fokig jó, de a magas hőmérsékletű gyanta általában 400 fokig ellenáll a hőnek. Mindig ellenőrizze a használt gyanta specifikációit.
Mivel a szénszál annyira hőálló, de még mindig olyan erős, számos mérnöki alkalmazásban használják, például a motorok belsejében.
Rozsdásodhat a szénszál?
Nem. A szénszál szoros kötései immunisak az oxidációra a gyártás során alkalmazott összetett kémiai folyamatok miatt. A szénszál károsodástól való védelmére használt epoxigyanták közömbösek, vagyis biztonságosak a rozsdától és egyéb korróziótól.
Mennyire erős a szénszálas filamentum?
A szénszálas szál a szénszálas szöveten használt egyedi szál. Ezeket a szálakat általában gyantával kötik össze, amely a CFRP (szénszálerősítésű műanyag) RP-je. A felhasznált anyag és a szénszál pontos kémiai összetételének párosításával a mérnökök valami még tartósabbat, erősebbet és könnyebbet alkothatnak, mint az alkatrészek.
Egy szövött szövetben minden szénszál szálon általában 1,000 és 12,000 egyedi szál van, ami kevesebb, mint egy emberi hajszál szélessége.
Tehát milyen erős a szénszál? Fogalmazzunk úgy: nem sok olyan anyag van a világon, amely erősebb a szénszálnál --, különösen a kereskedelmi forgalomban nem kaphatók.
