http://www.vm-racing.com/magento/news/vodic-u-svijet-karbona

http://masterbuilder.co.in/Archives/Building%20Materials/Composite%20Materials/Smart%20Materials%20Carbon%20fibers%20and%20their%20Application%20in%20CE.pdf

HISTORIJA I NASTANAK KARBONSKIH VALKANA

Karbonska vlakna su poznati od 1879, kada je Edison patentirao proizvodnju ugljičnih vlakana za uporabu u električnim svjetiljkama. Njihov razvoj je započeo u 1950. godine , kada je svemirska industrija uvidjela da je potrebna upotreba laganih materijala.1960. godine , započeo je uspješnu industrijsku proizvodnju, a time i razvoj kompozitnih materijala temeljenih na ugljičnim vlaknima.

SVOJSTVA KARBONSKIH VLAKANA

1) lagan,2) visoku specifičnu snagu,3) visoka čvrstoća,4) razstezanje i malo skupljanje u visokoj temperaturi,5) visoka otpornost na umor,6) niske gustoće i7) niski troškovi održavanja

Gledamo materijal koji je napravljen od kombinacije vlakana i polimera. Naravno, tu ima i karbona, ali on čini samo pola tog materijala. Ta tri materijala spojena s otopinom ljepila, koja se obično bazira na epoxyu, čine CFRP. Generalno je prihvaćeno da se ta kombinacija materijala jednostavno zove karbon.

Od kuda dolaze ta vlakna ? Vlakna karbona se dobivaju iz jednog od dva prethodnika. Prethodnik, u znanstvenom smislu, bio bi biokemijska supstanca koja je direktna posljedica reakcije dva spoja. Iz te reakcije je stvoren stabilniji proizvod, u ovom slučaju su to karbonska vlakna. Karbon nastaje od spoja dvaju prethodnika, njih zovemo PITCH bazirana vlakna i PAN bazirana vlakna.

PITCH bazirana vlakna imaju niska mehanička svojstva, kao rezultat toga oni se generalno ne koriste za materijale kod kojih je potrebna čvrstoća. PAN bazirana vlakna imaju visoki stupanj čvrstoće te su vrlo lagana, tu stvari postaju zanimljive. PAN se kao sirovina dobiva u hemijskoj industriji, najčešće ga zovu acrylonitrile (AN). Ok, sada znamo od kojih materijala se dobivaju karbonska vlakna. Nekoliko materijala, nekoliko kemijskih reakcija i procesa, no što se događa dalje? Od kuda dolazi onaj crni, dobro poznati kockasti oblik za kojim svi čeznemo, ali nikako da si ga priuštimo? Da bismo došli do toga, trebamo proći još nekoliko kemijskih procesa .

Prvi u nizu je oksidacija PAN baziranih vlakana. Ovo uključuje grijanje na oko 300 stepeni Celzijusa. Kao rezultat toga molekule vodika, unutar vlakana, evolviraju i to mjesto zauzima kisik, koji je prirodno puno stabilniji. Ovaj proces izmjenjuje molekularnu strukturu vlakana u puno stabilniju strukturu. A vlakna mijenjaju boju od bijele prema smeđoj i na kraju postaju crna.

Drugi dio procesa zove se karboniziacija. Ovo je još jedan proces koji uključuje grijanje, ponovno na 300 stepeni Celzijusa. Na kraju ovog procesa imamo gotovo 100% čisti karbon. Važno je napomenuti da temperature koje se koriste u ovom dijelu procesa, određuju stupanj kvalitete karbonskih vlakana.

Sljedeći korak zove se površinski tretman koji uključuje formiranje hemijskih veza na površini karbonskih vlakana, taj proces omogućava bolju povezanost s ostalim vlaknima. Na kraju svega, koristi se ljepilo koje štiti vlakna u daljnjim procesima obrade.

Sada imamo kompletan proizvod. Da bismo dobili vlakna u fazu u kojoj ih možemo koristiti kao materijal, vlakna se moraju povezati u nizove. Ovo je također prilika da se odredi čvrtoća krajnjeg proizvoda, kako bi se mogao pravilno klasificirati. Na primjer, 3K karbon je napravljen od 3000 vlakana u jednom nizu, on je tri puta čvršći od 1K karbona, ali je i tri puta teži. U nekim primjenama se koristi čak i 320K karbon.

Nizovi se sada pletu u platno s kockastim uzorkom te je upravo to trenutak kada materijal započinje poprimati prepoznatljivu formu sa svojim crnim sjajem i saćastim uzorkom. Izgled platna ovisiti će o debljini nizova i stilu, kao i o čvrstoći nizova.

Od ove tačke kao i svaki drugi CFRP, plahte karbona nanose se u slojevima u kalupe iz kojih se vadi završni proizvod. Broj slojeva karbonskih plahti određuje snagu završnog proizvoda. Nakon

što se krajnji proizvod izvadi iz kalupa, krajnji rezultat je proizvod koji je iznimno čvrst, lagan, otporan na koroziju i zamor materijala. On može biti hauba, sjedalo, krilo ili bilo koji dio limarije.

Kao generalna usporedba, karbon ima otrpilike četri i pol puta manje gustoće od čelika visoke gustoće, no čvrstoća karbona je 3.5, a čelika visoke gutoće 1.3. U osnovi to znači da je karbon četri i pol puta lakši te tri puta čvršći. U poređenjui sa stakloplastikom, karbon je također superioran, osobito kada se uporede težina i čvrstoća. Nažalost, kao i svi materijali bazirani na vlaknima, karbon nije vrlo otporan na iznenadne udarce. Uz to je skup u usporedbi s ostalim materijalima koji se koriste u automobilskoj industriji, no kroz vrijeme će se to vrlo vjerojatno promijeniti, s daljnjim razvojem proizvodnog ciklusa.

UPOTREBA KARBONSKIH VLAKANA

Karbonskih vlakana koristi se za izgradnju sportske robe, kao što su teniski reketi, hokej, golf i ribolov šipke, različitim dijelovima trkaćih automobila, jahti, motornih čamaca i bicikala. Smanjenje težine tih sportskih proizvoda znatno pridonijeti uspjehu sportaša.

To se prvenstveno koristi u zrakoplovstvu i zrakoplovne industrije, a sve češće u građevinarstvu, opće inženjering i automobilske industrije.

Karakteristično za primjenu karbonskih vlakane u avioindustriji je pri proizvodnji dijelova kao što su vrata, okomite peraje, lopatice i slično. Jedan od razloga primjene u avioindustriji jeste smanjenje vibracija koje se dešavaju priikom strujanja vazduha, a vlakna su sposobna da ih umanje. Dakle, karbonska vlakna sve više preuzimaju ulogu aluminija koji je bio vodeći materijal u avioindustriji.

Dakle, ključna primjena je zbog smanjenje težine, ali svakako lakša upotreba i kvalitetniji konačan proizvod. Te se iz već spomenutih razloga vrlo često upotrebljavaju u građevinarstvu pri izgradnji mostova da bi se kao ključni problem riješila velika težina konstrukcije a pored toga povećala u isto vrijeme čvrstoća. Nekada se karbonska vlakna kombinuju sa staklenim vlaknima.

Pored spomenutih grana industrije, karbonska vlakna se koriste i u bdrogogradnji, prije svega kao maske broda. A naručito kod takmičarskih brodova da bi se smanjila težina.

Zbog svoje dobre otpornosti na koroziju proizvoda iz kompozita koji sadrže vlakna ugljika, koji se koriste za spremnike goriva i kemikalija.

Karbonska vlakna postići dobru biokompatibilnost. To znači da su u skladu s krvi, kostiju i mekih tkiva, koje proizvode proteza i umjetna kost.

Među inovacijama korištenja karbonskih vlakana utkana je za uporabu u high-performance, nezapaljivim izolacijskim materijalima, karbonska vlakna se mogu aktivirati, tako doći do velike površine, takvi kompoziti mogu se koristiti za uklanjanje bojila iz otpadnih voda.Osim za izradu tlo kompozita i karbonskih vlakana filteri se također može koristiti za proizvodnju sigurnosnih odjevnih predmeta, elektromagnetskih zaštitnih ekrana i raznim drugim modernim potrebama.

ZANIMLJIVO O KARBONSKIM VLAKNIMA

Globalna potražnja za karbonskih vlakana Procjenjuje se ove godine na 13,2 milijarde dolara, a očekuje se da će povećati u 2015 USD 18600000000 sa stopom rasta od 7% ili više.

BMW razvija električne automobile ili serija. Novi brand, koji je uveden u 2013, kao dobro. Kabina automobil će biti u cijelosti izrađena od karbonskih vlakana, tako da automobil će biti lakši za 200 kg.

ASICS trčanje cipela proizvođač nedavno predstavio novu KARAKTERISTIKU , naime cross-country "šprintarice" da su 15% lakši od konkurentna.

Ojačanje primjenom veštačkih vlakana FRP (Fibre Reinforced Polymer)

FRP materijal sadrži veliki broj finih vlakana, izraženihmehaničkih karakteristika, unutar matrice od epoksismole. U zavisnosti od vrste vlakana, postoje: AFRP(aramidna), CFRP (karbonska) ili GFRP(staklena).Osnovne mehaničke karakteristike određuju se uzavisnosti od karakteristika sastojaka - vlakana (vl) imatrice (m) i njihovih zapreminskih zastupljenosti (V):

Ef = Evl · Vvl + Em · Vm

ff = fvl · Vvl + fm · Vm gde je: E – modul elastičnosti ,a f - čvrstoća na zatezanje

Dijagram napon-dilatacija pri zatezanju za razne vrste vlakana:

10‰ 20‰ 30‰ 40‰ ε

KARBONSKE TRAKE se izrađuju od vlakana prečnika 0.01 do 0.10 mmProizvode se kao:

TRAKE-LAMINATI u kojima su vlakna međusobno sleijepljena odgovarajućim epoksidnim vezivom matricom.

TRAKE-TKANINE dobijene tkanjem "konaca" formiranih od karbonskih vlakana.

Trake-laminati mogu da prihvate samo opterećenja (sile) u podužnom pravcu - u pravcu svog pružanja

Trake-tkanine mogu da budu nosive u više pravaca u zavisnosti od načina tkanja “vlakana“:

• Monoaksijalne trake - tkanine - trake koje imaju “vlakna" samo u jednom pravcu• Biaksijalne trake imaju “vlakna" (tkanje) u dva međusobno upravna pravca,• Trake sa dijagonalnim tkanjem, gde “vlakna" sa osom trake zaklapaju uglove od 45 ̊�

Primer postupka ojačanja primenom monoaksijalnih, biaksijalnih i dijagonalnih karbonskih traka-tkanina