Uglerod tola

Uglerod tolaridan tayyorlangan mato

Uglerod tolalari(muqobil ravishda CF, grafit tolasi) diametri taxminan 5 dan 10 mikrometrgacha bo'lgan va asosan uglerod atomlaridan tashkil topgan tolalardir.  Uglerod tolalari bir nechta afzalliklarga ega: yuqori qattiqlik, yuqori kuchlanishga chidamlilik, yuqori quvvatga nisbatan og'irlik nisbati, yuqori kimyoviy qarshilik, yuqori haroratga chidamlilik va past termal kengayish. Bu xususiyatlar uglerod tolasini aerokosmik, qurilish muhandisligi, harbiy, motorsport va boshqa musobaqalarda juda mashhur qildi. Biroq, ular shisha tolasi, bazalt tolasi yoki plastmassa tolasi kabi shunga o'xshash tolalarga nisbatan qimmat.

Uglerod tolasini ishlab chiqarish uchun uglerod atomlari tolaning uzun o'qiga parallel ravishda ko'proq yoki kamroq tekislangan kristallarda bir-biriga bog'lanadi. Bir necha ming uglerod tolasi o'z-o'zidan ishlatilishi yoki matoga to'qilishi mumkin bo'lgan tirgak hosil qilish uchun birlashtiriladi.

Uglerod tolalari, odatda, kompozit hosil qilish uchun boshqa materiallar bilan birlashtiriladi. Misol uchun, plastik qatronlar bilan singdirilganda va pishirilganda, u uglerod tolasi bilan mustahkamlangan polimerni (ko'pincha uglerod tolasi deb ataladi) hosil qiladi, bu juda yuqori kuch va og'irlik nisbatiga ega va biroz mo'rt bo'lsa-da, juda qattiq. Uglerod tolalari, shuningdek, juda yuqori issiqlik bardoshliligiga ega bo'lgan mustahkamlangan uglerod-uglerod kompozitlarini hosil qilish uchun boshqa materiallar, masalan, grafit bilan birlashtiriladi.

Ipak pillasining pirolizi natijasida hosil bo'lgan uglerod tolalari.

Tarix

1860-yilda Jozef Swan birinchi marta lampochkalarda foydalanish uchun uglerod tolalarini ishlab chiqardi. 1879-yilda Thomas Edison yuqori haroratda paxta iplari yoki bambuk bo'laklarini pishirib, ularni elektr toki bilan isitiladigan birinchi cho'g'lanma lampochkalardan birida ishlatiladigan to'liq uglerodli tolali filamentga aylantirdi. 1880-yilda Lyuis Latimer elektr toki bilan isitiladigan choʻgʻlanma lampochka uchun ishonchli uglerod simli filamentini ishlab chiqdi.

1958-yilda Rojer Bekon Klivlend(Ogayo shtati) tashqarisida joylashgan Union Carbide Parma texnik markazida yuqori samarali uglerod tolalarini yaratdi.  Bu tolalar tuman iplarini karbonlashguncha qizdirish orqali ishlab chiqarilgan. Bu jarayon samarasiz bo'lib chiqdi, chunki hosil bo'lgan tolalar atigi 20% ga yaqin uglerodni o'z ichiga olgan. 1960-yillarning boshlarida Yaponiya sanoat fanlari va texnologiyalari agentligida doktor Akio Shindo tomonidan poliakrilonitrildan foydalangan holda jarayon ishlab chiqilgan. Bu taxminan 55% uglerodni o'z ichiga olgan uglerod tolasini ishlab chiqardi. 1960-yilda HI Thompson Fiberglas uglerod atomlaridan foydalangan holda yuqori uglerodli (99%) tola ishlab chiqarish jarayonini (AQSh Patenti № 3,294,489) ishlab chiqdi. Ushbu uglerod tolalari og'irlikka chidamliligi yuqori bo'lgan kompozitlar va yuqori haroratga chidamli ilovalar uchun mustahkamlovchi sifatida foydalanish uchun yetarli kuchga ega edi.

Uglerod tolasining yuqori potentsial quvvati 1963-yilda V. Vatt, LN Fillips va V. Jonson tomonidan Farnboro, Xempshirdagi Qirollik samolyotlar korxonasida ishlab chiqilgan jarayonda amalga oshirildi. Jarayon Buyuk Britaniya Mudofaa vazirligi tomonidan patentlangan, so'ngra Britaniya Milliy tadqiqotlarni rivojlantirish korporatsiyasi tomonidan uchta kompaniyaga Rolls-Royce, Morganit va Courtauldsga litsenziyalangan. 1968-yilda Rolls-Royce Conway reaktiv dvigatellarida Vickers VC10ning Hyfil uglerod tolali ventilyator majmuasi muvaffaqiyatli qo'llanilgandan so'ng, Rolls-Royce yangi materialning xususiyatlaridan foydalanib, uglerod tolali kompressor parraklari bo'lgan RB-211 aero-motori bilan Amerika bozoriga kirdi. Afsuski, parraklar qushlar ta'siridan zarar ko'rishga moyil bo'lib chiqdi. Ushbu muammo va boshqalar Rolls-Roycening muvaffaqiyatsizliklariga sabab bo'ldi, kompaniya 1971-yilda milliylashtirildi va uglerod tolasi ishlab chiqarish zavodi Bristol Composite Materials Engineering Ltd tashkil etish uchun sotildi.

1960-yillarning oxirida yaponlar PAN asosidagi uglerod tolalarini ishlab chiqarishda yetakchilik qildilar. 1970-yildagi qo'shma texnologiya shartnomasi Union Carbide kompaniyasiga Yaponiyaning Toray Industries mahsulotini ishlab chiqarish imkonini berdi. Morganite uglerod tolasini ishlab chiqarish o'zining asosiy biznesining chekka qismi ekanligiga qaror qildi va Courtauldsni Buyuk Britaniyadagi yagona yirik ishlab chiqaruvchi sifatida qoldirdi. Courtellening suvga asoslangan noorganik jarayoni mahsulotni boshqa uglerod tolasi ishlab chiqaruvchilari tomonidan qo'llaniladigan organik jarayonga ta'sir qilmaydigan aralashmalarga sezgir qildi, bu esa Courtauldsning 1991-yilda uglerod tolasi ishlab chiqarishni to'xtatishiga olib keldi.

1960-yillarda muqobil xomashyoni topish bo'yicha eksperimental ishlar, neftni qayta ishlash natijasida olingan neft qatronidan tayyorlangan uglerod tolalarini joriy etishga olib keldi. Ushbu tolalar taxminan 85% uglerodni o'z ichiga olgan va mukammal egilish kuchiga ega edi. Bundan tashqari, ushbu davrda Yaponiya hukumati uglerod tolasi rivojlanishini qattiq qo'llab-quvvatladi va Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon va Mitsubishi kabi bir qancha yapon kompaniyalari o'zlarining ishlab chiqarishlarini yo'lga qo'yishdi. 1970-yillarning oxiridan boshlab, uglerod tolasining boshqa turlari jahon bozoriga kirib, yuqori kuchlanish va yuqori elastik modulni taklif qildi. Masalan, 4000 MPa kuchlanish kuchiga ega Toraydan T400va M40, moduli 400 GPa. 6000 MPa gacha quvvatga ega Toho Rayondan IM 600 kabi oraliq uglerod tolalari ishlab chiqildi. Toray, Celanese va Akzoning uglerod tolalari aerokosmik qo'llash yo'lini ikkilamchi qismlardan birlamchi qismlarga birinchi navbatda harbiy, keyinroq fuqarolik samolyotlarida, masalan McDonnell Duglas, Boeing, Airbus va United Aircraft Corporation samolyotlarida ishlata boshladi. 1988-yilda doktor Jeykob Lahijani avtomobil va aerokosmik ilovalarda keng qo'llaniladigan muvozanatli ultra-yuqori Young modulini (100 Mpsi dan katta) va yuqori kuchlanishga chidamli pitch uglerod tolasini (500 kpsi dan ortiq) ixtiro qildi. 2006-yil mart oyida patent Tennessi universiteti tadqiqot fondiga topshirildi.

Odam sochiga nisbatan 6 mkm diametrli uglerod filamenti (pastgi chapdan yuqori o'ngga)

Tuzilishi va xususiyatlari

Uglerod tolasi ko'pincha g'altakga o'ralgan shaklida yetkazib beriladi. G'altak bir-biriga bog'langan va polietilen oksidi (PEO) yoki polivinil spirti (PVA) kabi organik qoplama yoki o'lcham bilan himoyalangan minglab doimiy individual uglerod filamentlari to'plamidir. Foydalanish uchun g'altakdan qulay tarzda yechilishi mumkin. Yelkadagi har bir uglerod filamenti 5-10 mikrometr diametrli doimiy silindr bo'lib, deyarli faqat ugleroddan iborat. Eng birinchi avlod (masalan, T300, HTA va AS4) diametri 16–22 mikrometrga teng bo'ladi. Keyingi tolalar (masalan, IM6 yoki IM600) taxminan 5 mikrometrga teng diametrga ega.

Uglerod tolasining atom tuzilishi grafitnikiga o'xshaydi, u muntazam olti burchakli shaklda joylashgan uglerod atomlari varaqlaridan iborat (grafen varaqlari), farq bu varaqlarning bir-biriga bog'lanishidadir. Grafit - bu kristalli material bo'lib, unda qatlamlar muntazam ravishda bir-biriga parallel ravishda joylashtiriladi. Plitalar orasidagi molekulalararo kuchlar nisbatan zaif Van der Waals kuchlari bo'lib, grafitga yumshoq va mo'rt xususiyatlarini beradi.

Poliakrilonitrildan (PAN) olingan uglerod tolalari turbostratik, mezofaza pitchidan olingan uglerod tolalari esa 2200 °C dan yuqori haroratlarda issiqlik bilan ishlov berishdan keyin grafit hisoblanadi. Turbostratik uglerod tolalari yuqori cho'zilish kuchiga ega bo'lsa, issiqlik bilan ishlov berilgan mezofaza-pitchdan olingan uglerod tolalari yuqori Young moduliga (ya'ni, yuqori qattiqlik yoki yuk ostida kengayish qarshiligiga) va yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega.

Karbon tolali quyosh ko'zoynagi va uglerod tolali velosiped ramkasi trubkasi

Ishlatilishi

2012-yilda uglerod tolasi bozoriga taxminiy global talab 1,7 milliard dollarni tashkil etdi va 2012-yildan 2018-yilgacha yillik oʻsish 10–12 foizni tashkil etdi.  Uglerod tolasiga eng kuchli talab samolyotlar va aerokosmik, shamol energiyasi, shuningdek, avtomobilsozlikdan kelib chiqadi.

Uglerod tolasi qabul qilishning cheklovchi omillaridan biri bo'lgan boshqa materiallarga qaraganda qimmatroq bo'lishi mumkin. Avtomobil materiallari uchun po'lat va uglerod tolasi materiallarini taqqoslaganda, uglerod tolasi 10-12 baravar qimmatroq bo'lishi mumkin. Biroq, bu xarajat mukofoti so'nggi o'n yil ichida 2000-yillarning boshidagi po'latdan 35 baravar qimmatroq bo'lgan hisob-kitoblarga qaraganda pasayib ketdi.

Kompozit materiallar

Isitish jarayonidan oldin mahsulotning ko'rinishi

Uglerod tolasi, ayniqsa, kompozit materiallarni, xususan, uglerod tolasi yoki grafit bilan mustahkamlangan polimerlar sifatida tanilgan. Asosan materiallar sinfini mustahkamlash uchun ishlatiladi. Polimer bo'lmagan materiallar ham uglerod tolalari uchun matritsa sifatida ishlatilishi mumkin. Metall karbidlarning shakllanishi va korroziyani hisobga olgan holda, uglerod metall matritsali kompozit ilovalarda cheklangan muvaffaqiyatga erishdi. Kuchaytirilgan uglerod-uglerod (RCC) uglerod tolasi bilan mustahkamlangan grafitdan iborat va yuqori haroratli joylarda tizimli ravishda qo'llaniladi. Elyaf, shuningdek, yuqori haroratli gazlarni filtrlashda, yuqori sirt maydoni va benuqson elektrod sifatida ishlatiladi. Korroziyaga chidamliligi va antistatik komponent sifatida. Uglerod tolalarining yupqa qatlamini qoliplash polimerlar yoki termoset kompozitlarning yong'inga chidamliligini sezilarli darajada yaxshilaydi, chunki uglerod tolalarining zich, ixcham qatlami issiqlikni samarali aks ettiradi.

Galvanik korroziya bilan bog'liq muammolar tufayli uglerod tolali kompozitsiyalardan tobora ko'proq foydalanish alyuminiyni aerokosmik dasturlardan boshqa metallar foydasiga almashtirmoqda.

Uglerod tolasi elektr o'tkazuvchan asfalt-beton qilish uchun asfaltga qo'shimcha sifatida ishlatilishi mumkin. Ushbu kompozit materialdan transport infratuzilmasida, ayniqsa aeroport qoplamasida foydalanish, muz va qor mavjudligi sababli parvozning bekor qilinishi yoki kechikishiga olib keladigan qishki texnik xizmat ko'rsatish muammolarini kamaytiradi. Uglerod tolalarining 3D tarmog'i kompozit materiali orqali oqimni o'tkazib, uning ustidagi muz va qorni eritishga qodir bo'lgan asfalt sirt haroratini oshiradigan issiqlik energiyasini tarqatadi.

Karbon rayon asosli matoning moslashuvchanligi

Mikroelektrodlar

DIY uglerod tolali isitiladigan ko'ylagi

Uglerod tolalari uglerod tolali mikroelektrodlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Ushbu dasturda odatda diametri 5-7 mkm bo'lgan bitta uglerod tolasi shisha kapillyarda muhrlanadi. Uchida kapillyar epoksi bilan yopiladi va uglerod tolali disk mikroelektrodini yaratish uchun sayqallanadi yoki uglerod tolali silindrli elektrod qilish uchun tola 75–150 mkm uzunlikda kesiladi. Uglerod tolali mikroelektrodlar biokimyoviy signalizatsiyani aniqlash uchun amperometriyada yoki tez skanerlangan tsiklik voltametriyada qo'llaniladi.

Moslashuvchan isitish

Elektr o'tkazuvchanligi bilan mashhur bo'lishiga qaramay, uglerod tolalari o'z-o'zidan faqat juda past oqimlarni o'tkazishi mumkin. Kattaroq matolarga to'qilganda, ular moslashuvchan elektr isitish elementlarini talab qiladigan ilovalarda (infraqizil) isitishni ishonchli ta'minlash uchun ishlatilishi mumkin va 100 °C dan yuqori haroratni osongina ushlab turishi mumkin. Ushbu turdagi ilovalarning ko'plab misollarini o'z qo'llaringiz bilan isitiladigan kiyim va adyol buyumlarida ko'rish mumkin. Kimyoviy inertligi tufayli u ko'pgina mato va materiallar orasida nisbatan xavfsiz ishlatilishi mumkin, biroq, materialning o'z-o'zidan buklanishi natijasida paydo bo'lgan kaltalar issiqlik ishlab chiqarishning oshishiga olib keladi va yong'inga olib kelishi mumkin.

Poliakrilonitrildan uglerod tolasining sintezi

Sintez

Har bir uglerod filamenti poliakrilonitril(PAN), rayon yoki neft qatlami kabi polimerdan ishlab chiqariladi. Bu polimerlarning barchasi prekursor sifatida tanilgan. PAN yoki rayon kabi sintetik polimerlar uchun prekursor birinchi navbatda to'ldirilgan uglerod tolasining yakuniy jismoniy xususiyatlarini yaxshilash uchun polimer molekulalarini tekislash uchun kimyoviy va mexanik jarayonlardan foydalangan holda birinchi navbatda filament iplariga aylantiriladi. Filament iplarini yigirish jarayonida ishlatiladigan prekursor kompozitsiyalari va mexanik jarayonlar ishlab chiqaruvchilarga qarab farq qilishi mumkin. Chizilgan yoki yigirilgandan so'ng, polimer filament iplari uglerod bo'lmagan atomlarni chiqarish uchun isitiladi. Uglerod tolali filament iplari ishlov berish sifatini yaxshilash uchun qo'shimcha ishlov berilishi mumkin, so'ngra bobinlarga o'raladi.

Ishlab chiqarishning keng tarqalgan usuli yigirilgan PAN filamentlarini havoda taxminan 300 °C gacha qizdirishni o'z ichiga oladi, bu esa ko'plab vodorod aloqalarini buzadi va materialni oksidlaydi. Keyin oksidlangan PAN argon kabi gazning inert atmosferasiga ega bo'lgan pechga joylashtiriladi va taxminan 2000 °C ga qadar qizdiriladi, bu materialning grafitlanishiga olib keladi va molekulyar bog'lanish tuzilishini o'zgartiradi. To'g'ri sharoitda qizdirilganda, bu zanjirlar yonma-yon (narvon polimerlari) bog'lanib, tor grafen varaqlarini hosil qiladi, ular oxir-oqibat bitta ustunli filamentni hosil qilish uchun birlashadi. Natija odatda 93-95% ugleroddir. Past sifatli tolalar pitch yoki rayon yordamida ishlab chiqarilishi mumkin PAN o'rniga prekursor sifatida. Uglerod issiqlik bilan ishlov berish jarayonida yuqori modulli yoki yuqori quvvatli uglerod sifatida yanada yaxshilanishi mumkin. 1500–2000 °C (karbonizatsiya) oralig'ida isitiladigan uglerod eng yuqori cho'zilish kuchiga ega (5,650 MPa), 2500 dan 3000 °C gacha qizdirilgan (grafitizatsiya) uglerod tolasi esa yuqori elastiklik modulini (531 GPa) namoyon qiladi.