Mis on süsinikkiud?
Süsinikkiud on grafiiditaolised pika ahelaga süsinikuüksused, millel on võrgustruktuur. Süsiniku pika ahelaga võrgustatud ühikud tekivad süsinikuaatomite katenatsiooniomaduse, st sarnase elemendi aatomite sideme tõttu.
Thomas Elva Edisonile omistatakse esimese süsiniku hõõgniidi loomine, et katsetada lambipirni elektrilist hõõgniidi, kasutades looduslikku puuvilla.
Lähteained on toorelemendid, mida kasutatakse süsinikkiudude tootmisel.
Kuidas valmistatakse süsinikkiudu?
Suurem osa süsinikkiust on valmistatud polüakrüülnitriiliks ehk PAN-iks nimetatud protsessist. Selle protsessi käigus puutub kiudleht kokku nii kõrge kuumusega, et peaaegu kõik peale süsiniku põleb ära.
Tavaliste süsinikkiudude valmistamise sammud:
1: polümerisatsioon: pika ahelaga polümeeri valmistamiseks polümeriseeritakse lähteaine.
2: ketramine: pärast seda kedratakse polümeer pikkadeks kiududeks. Tavaliselt kasutatakse keemilisi ja mehaanilisi protseduure.
3: Oksüdeeriv: kiud stabiliseeritakse kuumutades seda õhus. See neelab õhust hapnikku ja läbib kiu stabiliseerimiseks keeruka aatomi ümberkorraldusprotsessi.
4: Karboniseerimine: hapniku puudumisel aitab oksüdeeritud ja stabiliseeritud kiu töötlemine kõrgel temperatuuril kaasa mittesüsinikuaatomite kadu, mille tulemuseks on tihedalt pakitud süsinikkiud.
5: Pinnatöötlus: Karboniseeritud kiududel on halb nakkuvusvõime, mistõttu on komposiidi saamiseks keeruline epoksüvaikudega ühineda. Selle sidumisvõime saamiseks töödeldakse pinda sobivate kemikaalidega.
6: suuruse määramine: kaitseks on kiud kaetud epoksiidi, nailoni, polüestri ja muude materjalidega. Seda nimetatakse suuruse määramiseks.
Seejärel liidetakse süsinikkiust toorleht teiste metallidega (oluline osa süsinikkiu juhtivuse mõistmisel) ning saadud ühendit töödeldakse ja määratakse keemiliste protsesside abil suurus.
Protsess on põhjalik ja seetõttu kallis.
SEOTUD: 5 lõbusat kasutust süsinikkiust lehtedele
Kas süsinikkiud on iseenesest juhtivad?
Ei, süsinikkiud ei ole soojus- ega elektrijuhtivuse poolest liiga juhtiv, kui seda ei kombineerita millegi muuga.
Soojusjuhtivuse (soojusejuhtimise võime) osas on süsinikkiud keskmine. Suhteliselt kvaliteetsel süsinikkiul on umbes sama suur soojusjuhtivus kui ränil ja isegi tipptasemel süsinikkiul on alumiiniumist väiksem juhtivus.
Tavaline vana süsinikkiud on elektrijuhtivuse osas pisut parem, kuigi see pole ikkagi nii juhtiv kui enamik metalle. Kui seda kasutatakse elektrijuhina, on kõige parem süsinikkiudu muuta, kududes selle kokku teiste metallidega või luues elektrit juhtivama süsiniku allotroopi, nagu teemant või grafiit.
Kuidas muuta süsinikkiud juhtivamaks?
Elektrijuhtivuse suurendamiseks tuleks süsinikkiudu pärast isoleerimist töödelda muude materjalidega. Parimad ühendid süsinikkiuga kombineerimiseks juhtivuse suurendamiseks on lateks ioonjuhtivuse jaoks (läbi vedeliku) ja ränidioksiidi aur elektroonilise juhtivuse tagamiseks (läbi tahke aine).
On süsiniku allotroope, mis juhivad soojust palju paremini kui süsinikkiust -- teemant, eelkõige juhib see soojust kuni 100 korda tõhusamalt kui tavaline süsinikkiud. Nende allotroopide loomine pole kaugeltki lihtne, kuid on protsesse, mis hõlmavad survet, kuumust ja muid keemilisi reaktsioone, mis muudavad transformatsioonid võimalikuks. Kui süsinikkiudu töödeldakse nende süsiniku allotroopidega, kui need on valmis, võib süsinikkiu soojusjuhtivus suureneda mitu korda.
Niisiis, kas süsinikkiud on juhtiv? Mitte niivõrd oma põhiolekus, kuid see võib vähese teadusega hõlpsasti muutuda.
SEOTUD: Milleks kasutatakse süsinikkiust mähist?
Kas süsinikkiud on metalliga võrreldes juhtiv?
Mitte iseenesest, ei. Teiste metallidega töötlemisel see siiski on.
Ainuüksi süsinikkiud ei ole metalliga võrreldes suurepärane elektrijuht. Tegelikult juhib enamik metalle elektrit umbes 1000 korda sama hästi kui tavaline süsinikkiud. Isegi muude materjalidega töötlemisel pole süsinikkiud elektrijuhtivuse osas ikka veel nii hea kui metall. Metallid nagu hõbe, alumiinium ja vask juhivad eriti hästi elektrit, kuid siiski umbes 100 korda kiiremini kui heade elektrijuhtidega töödeldud süsinikkiud.
Soojusenergia juhtimine on teine lugu. Kui süsinikkiud on hästi valmistatud ja korralikult töödeldud, on see tegelikult soojusjuhtivam kui kõrge juhtivusega metall nagu vask.
Mis on juhtiva süsinikkiu kasutusala?
Töödeldud süsinikkiudu kasutatakse luksuskaupades, nagu kiivrid ja pagas, mis on kerged ja vastupidavad. Kuid süsinikkiu juhtivus paistab silma rohkem tööstuslikes kasutustes, nagu konteinerite vooder inseneri- ja kosmoseprojektides.
Teadus tegeleb endiselt süsinikkiu elektrijuhtivuse parandamisega. Tänu oma ülima vastupidavusele, kuumakindlusele, kergele kaalule ja väiksusele võrreldes selliste asjadega nagu metalltraadid, eeldatakse, et süsinikkiust tooteid kasutatakse tulevikus juhtidena palju rohkem.
Süsinikul on palju hämmastavaid omadusi. Üks neist on selle hämmastavad võimed soojus- või elektrijuhina, kui seda töödeldakse teiste metallkomposiitidega.
