A szénszál rendkívül finom, körülbelül öt-tíz mikron átmérőjű rostból áll , és főleg szénatomokból áll . Ezeket mikroszkópos kristályokká agglomerálják, amelyek többé-kevésbé párhuzamosak a szál hosszú tengelyével. A kristályok illesztése rendkívül erőssé teszi a szálat méretének megfelelően. Több ezer szénszálat tekercselnek össze, így egy fonalat készítenek, amely önmagában is használható vagy szövött .
Ezt az anyagot alacsony sűrűsége (1,7–1,9), magas húzó- és nyomószilárdsága, rugalmassága, jó elektromos és hővezető képessége , hőmérséklet-ellenállása és kémiai tehetetlensége jellemzi (kivéve az oxidációt).
Fő felhasználása a kompozit anyagok megerősítése , amely lehetővé teszi jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező alkatrészek előállítását, miközben lényegesen könnyebb, mint a fém alkatrészek.
A szénszálak első alkalmazása az izzólámpák fonalainak fejlesztésében történt. Joseph Swan 1860-ban gyártotta az első szálakat. Először szénsavas papírszálak voltak, majd karbonizált pamutszálakkal javította a szénszálak minőségét. 1879-től Thomas Edison magas hőmérsékletű szénsavas bambuszrostokat használt. 1880-ban Lewis Latimer javította Thomas Edison megbízható szénszálak előállításának folyamatát, amelynek eredményeként az izzók működési ideje több száz óra volt. 1892-től a villanyvilágítás helyett a közvilágítás izzóhüvelyeinek melegítésével felhagynak a világítással, és a szénhuzalok gyártását több évtizedre felhagyják.
Roger Bacon (en) 1958-ban ívkemencében magas hőmérsékleten történő melegítéssel akarta meghatározni a szénatomok hármaspontját, és megfigyelte a szénszálak képződését. Folytatta ezen szálak képződésének tanulmányozását, hogy egy szabadalmaztatott előállítási módszerhez jusson. A folyamat a viszkózrostok karbonizálásán alapult , ezt az Union Carbide (amelynek szénelágazatából később Graphtec lesz ) használta. Ezen szálak mechanikai tulajdonságai azonban korlátozottak voltak, mivel széntartalmuk alacsony volt. 1960-ban az Akio Shindo jobb minőségű szénszálakat állított elő poliakrilnitrilből (ex-PAN szálak). Ugyanebben az időszakban Richard Millington javította a viszkózból készült szálak gyártási folyamatát. Magas széntartalmuk (99%) és jó mechanikai tulajdonságaik lehetővé tették a kompozit anyagokban történő megerősítésként történő felhasználásukat. Ebben az évtizedben kutatást folytattak új szén-prekurzorok felkutatására a szálak előállításához. Szénszálak kőolajszurokból történő előállításának folyamataihoz vezetnek.
1963-ban W. Watt, LN Phillips és W. Johnson (Royal Aircraft Establishment Farnborough-ban, Hampshire) kidolgozta az eljárást az összetett anyagok előállítására. A Rolls-Royce ezt a folyamatot használja kompresszorlapátok gyártására RB211 motorjaihoz . Ezek az összetettek azonban érzékenyek az ütésekre ( pl . Madarakkal való ütközések), amelyek korlátozni fogják a repülésben való felhasználásukat. Ugyanebben az időszakban a japán kormány nagyon aktívan támogatta a szénszálak ipari termelésének fejlesztését, és számos vállalat fejlesztette ezt a tevékenységet ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japán vezető szerepet tölt be a PAN-ből készült szénszálak terén.
Az 1970-es években a világpiacot a Toray-folyamatot használó Union Carbide uralta. A Courtaulds cég az egyetlen nagy brit beszállító. Ez a vállalat az 1980-as évek végéig a sportban alkalmazott kompozit anyagok fontos szállítója marad. Az Egyesült Államok és Európa az olyan vállalatokat is ösztönzi, mint a BASF , a Celanese vagy az Akzo, hogy fejlesszék ipari szálgyártást.
Az 1970-es évek vége óta számos fejlesztés vezetett mechanikai tulajdonságokkal rendelkező szálak gyártásához, amelyek sokféle alkalmazásra alkalmasak. Főleg megkülönböztetnek nagy modulusú szálakat és nagy szilárdságú szálakat. A kompozit anyagok iránti kereslet folyamatosan növekszik, elsősorban a repülés, a védelem és a szélipar miatt. Ez új piaci szereplők megjelenéséhez vezetett ezen a piacon, például Kínában vagy Dél-Koreában. Újabban annak szükségessége, hogy a fosszilis erőforrásokból származó szén-dioxid-prekurzorokat biobázisú prekurzorokkal helyettesítsék, kutatási tevékenységhez vezetett a lignin- alapú szálak területén . Kompozit szálakat is kifejlesztettek szén nanocsövek felhasználásával .
Három fő, széles körben használt rostcsaládot idézhetünk:
A szén prekurzor, például benzol kémiai gőzfázisú leválasztásával nyert szálak tulajdonságai és felhasználási területei eltérőek, és általában szén nanoszálaknak nevezik őket .
A szénszál nagyon magas széntartalmú anyag (több mint 90 tömegszázalék). Atomi szinten egy szál poliaromás szénalapú lemezekből áll, amelyek olyan struktúrába vannak rakva, amely nagyon közel lehet a grafitéhoz , de rendezetlenebb is lehet, mint a grafit (turbosztatikus szén, amelyben a szénlemezek egymásra rakása hibákat tartalmaz). A szálak grafitizáltsága az alkalmazott prekurzortól, de az alkalmazott előállítási módszertől is függ. A szénlemezek halmainak elrendezése képezi a szénszálak mikrostruktúráját, ez függ a szén prekurzorától és a szintézis folyamatától is.
Toray M40 nagy modulusú ex-PAN szál.
Toho Tenax rost.
Celion ex-viszkóz szénszál.
A szál egydimenziós anyag, a szálak két vagy három dimenzióban történő elrendezése lehetővé teszi jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező C / C kompozit rész előállítását . A szénszál használatának tulajdonságait tehát a szál hosszirányában jellemezzük.
A szénszálak átmérője most 5 és 10 um között van. A szénszálak sűrűsége 1,7-es nagyságrendű. Ez lehetővé teszi hasonló sűrűségű kompozit anyagok tervezését, ami nagyon jelentős csökkenést jelent a fémes anyagokhoz képest.
A szénszálak fő felhasználása javított mechanikai tulajdonságokkal rendelkező kompozit anyagok gyártása a csökkentett tömeg érdekében. A mechanikai tulajdonságok tehát a szál alapvető jellemzői. Két paramétert használnak főleg:
A nagy rugalmassági modulussal rendelkező rostok nagyon keveset deformálódnak, de mérsékelt igénybevétel esetén eltörhetnek. Erősítésként törékeny anyagú anyaghoz vezethet. Ezt a fajta szálat nagy modulusú szálnak nevezzük. A mérsékeltebb rugalmassági modulusú rost nagyobb lesz a szakítószilárdsága, ez jobb szakítószilárdságot, de nagyobb deformálhatóságot eredményezhet az összetett anyag számára. Ha egy szénszálnak nagyon grafitikus jellege és rendezett szerkezete van, akkor nagy lesz a rugalmassági modulusa, másrészt törékeny lesz. Ennek a szerkezetnek az ellenőrzését a prekurzor megválasztásával érhetjük el (az ex-pitch szál általában grafikusabb, mint egy ex-PAN-szál), de nagyon magas hőmérsékleten történő hőkezelés alkalmazásával is.
Mivel a szénszálak grafitos doménekből állnak, kihasználják a grafit elektromos tulajdonságait . A grafit egy anizotróp anyag, amelynek nagyon jó elektromos vezetőképessége van a grafénsíkok irányában. Mivel a grafitos domének hosszirányban vannak orientálva a szálakban, az utóbbiak a fonal irányában is jó hő- és elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. A villamos ellenállása egy szál tehát csökken, ha a grafitos jellege növekszik, az értékek változhatnak a 900 μΩ cm magas modulusú rostok (a 350 500 GPa ) 1650 μΩ cm rostok esetében, amelyek alacsonyabb modulust (200.- 300 GPa ). A hővezető képesség a szerkezettől is függ, 20 W m- 1 K −1 a közepes modulusú szálaknál a 80 W m −1 K −1 a nagy modulusú szálaknál változhat .
A poliakrilnitrilből előállított szálak jelentik a kompozitokban alkalmazott megerősítések nagy részét. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy jó mechanikai tulajdonságokkal bírhatnak, miközben mérsékelt gyártási költségeik vannak. A PAN egy olyan polimer, melynek képlete [-CH 2 -CH (CN) -] n . A gyártási lépések a következők:
Az ex-pitch szálak többféle prekurzorból szerezhetők be:
A hangmagasság összetétele a gyártási módtól és az alkalmazott prekurzortól függően nagyban változik. Minden esetben nagy arányban tartalmaz aromás szenet poliaromás molekulák formájában, amelyek moláris tömege 400-600 g / mol. A szénből nyert szálak tartalmazhatnak szilárd szénrészecskéket, amelyek gyengíthetik a kapott szénszálakat, ezért előnyösen kőolajszurkot használnak.
Az ilyen típusú rostok fő előfutára a cellulóz . Ezt az anyagot "műselyemnek", a normál alakot " viszkóznak " nevezik . A műselyem szálának fejlesztése több szakaszból áll:
A műselyemfonalból a szénszálak előállításának lépései hasonlóak az ex-PAN szálakhoz.
A lignin a leggyakoribb aromás struktúrákat tartalmazó biopolimer, a növények 15-30% -át képviseli. Ez egy olyan anyag, amely ma nagyon mérsékelt áron elérhető, például a papírgyártás melléktermékeként . Kémiai szerkezete aromás struktúrákból áll, amelyek kétdimenziós hálózatot alkotnak, és ennek a polimernek a hőre lágyuló jellege lehetővé teszi extrudálását szálak előállításához és hőkezelését szénszálak előállításához. A szénszálak ligninből történő előállításának folyamata tehát nagyon hasonló az előző bekezdésekben bemutatotthoz.
Az egyik nehézség az, hogy a lignin szerkezete és fizikai tulajdonságai eltérőek lehetnek, attól függően, hogy milyen növényről származik, és milyen eljárással különítik el a növény egyéb összetevőitől. Szennyeződéseket is tartalmazhat. A szálkihúzási körülményeket, amelyek az üvegesedési hőmérséklettől ( T v ) függenek , ezért az alkalmazott lignin függvényében kell megválasztani. Ezenkívül a szénszál végső tulajdonságai a lignin kezdeti összetételétől függően változhatnak. E nehézségek ellenére a ligninnek számos előnye van: bioforrásból származó anyag, amelynek költsége alacsony, jó szén-dioxid-hozammal rendelkezik, hőre lágyuló jellege pedig lehetővé teszi a hatékony gyártási folyamatok kidolgozását. Az első szabadalmak erről a témáról az 1960-as évek óta léteznek, de a rostok optimalizálására és a gyártási folyamatok integrálására a biofinomító koncepciójába irányuló kutatás a XXI . Század eleje óta nagyon aktívvá vált ( pl .: európai LIBRE Lignin program Alapú szénszálak a kompozitokhoz ).
Számos eljárást fejlesztettek ki szén nanocsöveket tartalmazó fonalak előállítására . Idézhetjük:
A kapott szálak tulajdonságai nagyon függenek a nanocsövektől és az alkalmazott módszertől. Az ilyen típusú szálak tervezett alkalmazásai általában műszaki textíliák.
A szénszálakat elsősorban kompozit anyagok megerősítéseként használják . Lehetővé teszik olyan szerkezeti részek előállítását, amelyek jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek: merevség, repedésállóság stb. , miközben kis sűrűségű a fémes anyagokhoz képest.
Általában áthúzott szálak vagy szövött rétegek formájában helyezik be őket az összetett anyagba, majd egy mátrixot beszivárognak az anyagba a kívánt rész elkészítéséhez. Egy adott helyiséghez ki kell számolni a szálhálózat optimális elrendezését. Ezeknek az alkatrészeknek a fejlesztése ezért költséggel jár, ami azt jelenti, hogy a szénszálas alapú kompozit anyagokat elsősorban kritikus alkalmazásokban használják.
A fő alkalmazási terület a repülés és az űripar:
A versenysport széles körben alkalmaz kompozit anyagokat, mind alacsony súlyuk, mind javított mechanikai tulajdonságaik miatt:
Szénszálat használnak a műszer készítéséhez :
Más területeken is idézhetjük:
A szénszálas szövetek önmagukban is alkalmazhatók:
Szénszálas szövet.
Airbus A330 / A340 szénfék.
MOD70 osztályú trimaran
Champ Car autó karosszéria hátsó része
Armin Bachmann (de) két darab alphornal pózol , az egyik fa , a másik szénszálas.