Ιδιότητες των ινών άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα, που χαρακτηρίζονται από απίστευτη αντοχή σε συνδυασμό με πολύ υψηλή ευελιξία, είναι από τα πιο ανθεκτικά υλικά όσον αφορά τις μηχανικές τους ιδιότητες. Τι ακριβώς κάνει λοιπόν τις ίνες άνθρακα τόσο ξεχωριστές; Ας μπούμε λοιπόν στα χαρακτηριστικά τους και ας μάθουμε γιατί είναι το πιο διαδεδομένο υλικό στον κόσμο.

Τι είναι το ανθρακονήματα;

Ίνα άνθρακα όπως υποδηλώνει και το όνομά του, αποτελείται από μικροκλώνους που συνδέονται με αλυσίδες ατόμων άνθρακα με κρυσταλλικό τρόπο. Αυτό παράγει μια απίστευτα άκαμπτη, αλλά ελαφριά ίνα. Πρόκειται για σύνθετα υλικά που θα συνδυαστούν με ίνες άνθρακα, οι οποίες θα τους παρέχουν άλλες ιδιότητες για να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές.

Πώς κατασκευάζεται το ανθρακονήματα;

Η διαδικασία κατασκευής αρχίζει με μια πρόδρομη ουσία, συνήθως ένα πολυμερές - το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN) είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο. Το πολυμερές μετατρέπεται σε ίνα και η θέρμανση του πολυμερούς μπορεί να εξαγάγει στοιχεία που δεν περιέχουν άνθρακα, αφήνοντας μια μακριά, λεπτή αλυσίδα καθαρού άνθρακα. Τα στάδια περιλαμβάνουν τη σταθεροποίηση, ενανθράκωση, επιφανειακή επεξεργασία και διαστασιολόγηση. Όλα αυτά τα στάδια είναι σημαντικά για την επίτευξη των ξεχωριστών ιδιοτήτων των ανθρακονημάτων. Αυτή η διεξοδική διαδικασία, η οποία διεξάγεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, σημαίνει ότι οι ίνες που παράγονται αποτελούνται κυρίως από άτομα άνθρακα που συνδέονται στενά μεταξύ τους.

Φυσικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Πυκνότητα

Έχει πολύ χαμηλή πυκνότητα, οπότε είναι πολύ ελαφρύ. Αυτή η ιδιότητα είναι κατάλληλη για εφαρμογές όπου το βάρος αποτελεί κύριο μέλημα, όπως αυτές της αεροδιαστημικής και της αυτοκινητοβιομηχανίας. Ζυγίζει παρακμιακά ελαφρύ σε 1,6 g/cm³, οπότε θα ζυγίζει παρακμιακά ελαφρύ μεταφέροντας πολύ λιγότερο από τον χάλυβα και ακόμη ελαφρύτερο σε σύγκριση με το αλουμίνιο, καυχιέται ότι είναι ένα αρκετά επιθυμητό υλικό για πολλές βιομηχανίες για να εξισορροπήσει αυτή τη σιδερένια αναλογία αντοχής προς βάρος.

Μοριακή δομή

Η μοριακή σύνθεση των ινών άνθρακα είναι μοναδική. Το εξαγωνικό μοτίβο είναι μια μορφή ατόμων άνθρακα συνδεδεμένων μεταξύ τους, καθιστώντας το τόσο ισχυρό όσο το ατσάλι, ενώ ζυγίζει ένα κλάσμα αυτού. Ένα πολυμερές που σχηματίζει μια εξαγωνική δομή πλέγματος επιτρέπει υψηλή αντοχή μέσα στην ίνα, ενώ παράλληλα παρέχει ευελιξία. Η γραφιτική δομή της προσδίδει υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία μπορεί να είναι επωφελής για ορισμένες εφαρμογές.

Ευελιξία

Πρόκειται για μια αρθρωτή δομή, μόνο ευέλικτη και με μεγάλη αντοχή. Είναι εύκαμπτη, ενώ έχει επίσης αντοχή, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να πάρει διαφορετικές μορφές για πολλαπλές διαφορετικές χρήσεις. Η κατεύθυνση προς την οποία προσανατολίζονται οι ίνες κατά την τοποθέτησή τους μπορεί να καθορίσει πόσο άκαμπτο ή εύκαμπτο είναι το υλικό από ίνες άνθρακα, επιτρέποντάς του να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία διαφορετικών καταστάσεων. Έτσι, για εξαρτήματα που χρειάζονται υψηλή ακαμψία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μονής κατεύθυνσης ίνες άνθρακα, ενώ οι υφαντές ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται εάν απαιτείται μεγαλύτερη ευελιξία και αντοχή στην κρούση.

Χημικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Χημική σύνθεση

Τα δομικά στοιχεία των ινών άνθρακα είναι άτομα άνθρακα. Αυτή η απλή δομή παρέχει σταθερότητα, καθιστώντας την ανθεκτική σε πολλές χημικές ουσίες που καταλήγουν να διαβρώνουν άλλα υλικά. Η ποιότητα των ινών άνθρακα τις καθιστά λιγότερο αντιδραστικές στις περιβαλλοντικές συνθήκες σε σχέση με άλλα υλικά. Ένα άλλο πράγμα που μπορούμε να προσθέσουμε εδώ είναι ότι σε αντίθεση με τα μέταλλα οι ίνες άνθρακα δεν είναι ευαίσθητες στη σκουριά ή την οξείδωση, γεγονός που αποτελεί πρόσθετο πλεονέκτημα κατά την παραμονή σε ακραίες καιρικές συνθήκες.

Χημική αντίσταση

Οι ίνες άνθρακα είναι εξαιρετικά ανθεκτικές στη διάβρωση και τις χημικές βλάβες. Αυτό την καθιστά χρήσιμη στο ακραίο περιβάλλον της έκθεσής της σε χημικές ουσίες. Στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας χημικών προϊόντων, για παράδειγμα, οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται συνήθως για να αντιστέκονται σε διαβρωτικούς παράγοντες που διαφορετικά θα προσβάλλουν τα μέταλλα. Με την υψηλού επιπέδου αντοχή τους σε οξέα, βάσεις και διαλύτες, τα εξαρτήματα από ίνες άνθρακα είναι βέβαιο ότι θα είναι ανθεκτικά και λειτουργικά - ακόμη και σε ακραία χημικά περιβάλλοντα.

Μηχανικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Αντοχή σε εφελκυσμό

Η αντοχή σε εφελκυσμό των ανθρακονημάτων είναι εξαιρετική, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να αντέξουν υψηλά εφελκυστικά φορτία.Αυτή η αντοχή σε εφελκυσμό το καθιστά ένα προϊόν που χρησιμοποιείται συνήθως στην αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία. Από την άλλη πλευρά, οι ίνες άνθρακα έχουν τιμές αντοχής σε εφελκυσμό μεταξύ 3,5 και 6,0 GPa, πράγμα που σημαίνει ότι είναι καλύτερες από τα περισσότερα υλικά (ακόμη και από τον χάλυβα) όσον αφορά το βάρος. Οι ίνες άνθρακα, όντας ελαφριές και δύσκαμπτες, έχουν πολύ υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, οπότε είναι ιδανικές για χρήση σε ευαίσθητες σε βάρος εφαρμογές μεταφοράς φορτίων.

Αντοχή σε θλίψη

Παράλληλα με την αντοχή σε εφελκυσμό, οι ίνες άνθρακα διαθέτουν επίσης υψηλή αντοχή σε θλίψη. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αντέξει αρκετή πίεση, καθιστώντας το χρήσιμο σε κατασκευές ή εφαρμογές βαρέως τύπου. Οι ίνες άνθρακα έχουν μεταβλητές τιμές αντοχής σε θλίψη που καθορίζονται από τον τύπο/προσανατολισμό της ίνας, αλλά με σχετικά χαμηλή αντοχή σε κρούση. Αυτή η ιδιότητα καθιστά το πλαστικό ένα αγαπημένο υλικό για δομικά μέρη που πρέπει να αντέχουν σε θλιπτικά φορτία χωρίς παραμόρφωση.

Μέτρο ελαστικότητας

Το μέτρο ελαστικότητας των ανθρακονημάτων είναι υψηλό, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να λυγίσουν όταν εφαρμοστεί μια δύναμη πάνω από το όριο ελαστικότητας. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στις ίνες άνθρακα να διατηρούν το σχήμα τους ακόμη και υπό ακραία φορτία. Ανάλογα με τον τύπο της ίνας άνθρακα, το μέτρο ελαστικότητας κυμαίνεται συνήθως από 200 έως 600 GPa. Οι ίνες άνθρακα είναι πολύ πιο δύσκαμπτες από το μέταλλο, αλλά αυτή η ακαμψία τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ακριβείας, όπως οι αεροδιαστημικές κατασκευές, όπου τα χιλιοστά παραμόρφωσης θεωρούνται σφάλμα σχεδιασμού.

Δύναμη κάμψης

Όμως η ίνα άνθρακα είναι ανθεκτική στο σπάσιμο, ακόμη και με σημαντική κάμψη. Χάρη στην υψηλή αντοχή σε κάμψη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές που απαιτούν ευελιξία, διατηρώντας παράλληλα τη δομική ακεραιότητα. Επειδή οι ίνες άνθρακα είναι ένα τεχνητό υλικό, η αντοχή των ινών ποικίλλει ανάλογα με τον τρόπο προσανατολισμού και διαστρωμάτωσης των ινών. Τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, όπως οι υφαντές ίνες άνθρακα, χρησιμοποιούνται συχνά σε προϊόντα που απαιτούν αυξημένη ευελιξία και δυνατότητα κάμψης, όπως αθλητικά είδη και εξαρτήματα αυτοκινήτων.

Αντοχή στην κρούση

Ενώ είναι ισχυρή, η ίνα άνθρακα μπορεί να είναι εύθραυστη κατά την πρόσκρουση. Ο συνδυασμός της με άλλα υλικά παράγει σύνθετα υλικά με υψηλή αντοχή στη θραύση, βελτιώνοντας την αντοχή του υλικού στην κρούση. Όταν συνδυάζονται με εποξειδικές ρητίνες και άλλα πολυμερή, οι ίνες άνθρακα μπορούν να παρουσιάσουν υψηλή αντοχή στην κρούση. Για το λόγο αυτό, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα είναι κατάλληλα για το χειρισμό κρίσιμων για την ασφάλεια εφαρμογών, όπως οι δομές σύγκρουσης αυτοκινήτων και ο προστατευτικός αθλητικός εξοπλισμός.

Σκληρότητα θραύσης

Αυτό είναι χρήσιμο για ένα συγκεκριμένο στρώμα της ίνας άνθρακα, διότι όταν ένα μεμονωμένο σκέλος θα σπάσει, περιέχει μια αντοχή σε θραύση, η οποία δείχνει πόσο καλά σταματά την ανάπτυξη της ρωγμής. Παρόλο που δεν είναι τόσο δύσκολο όσο μερικά μέταλλα, είναι τόσο ελαφρύ που μερικές φορές το κέρδος δεν αξίζει το μειονέκτημα για αρκετές εφαρμογές. Σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική και η αυτοκινητοβιομηχανία, τα υλικά πρέπει να είναι στιβαρά και ανθεκτικά στην κόπωση και την καταπόνηση, καθιστώντας την ανθεκτικότητα θραύσης κρίσιμη. Άλλες εξελίξεις στην τεχνολογία σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα, τόσο καθαρές όσο και υβριδικές, έχουν βελτιώσει την ανθεκτικότητα σε θραύση και τις λειτουργικές εφαρμογές τους.

Θερμικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Σημείο τήξης

Σε γενικές γραμμές, οι ίνες άνθρακα δεν έχουν πραγματικό σημείο τήξης επειδή δεν λιώνουν υπό κανονικές συνθήκες. Αντίθετα, διασπάται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που την καθιστά ευνοϊκή για εφαρμογές θερμότητας. Σε μη οξειδωτικές συνθήκες, οι ίνες άνθρακα μπορούν να αντέξουν σε θερμοκρασίες έως 3000°C. Αυτή η αντοχή στη θερμότητα είναι χρήσιμη σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, όπου οι θερμοκρασίες κατά την επανείσοδο ή την πτήση υψηλής ταχύτητας μπορούν να φτάσουν σε απίστευτα υψηλά επίπεδα.

Αγωγιμότητα θερμότητας

Οι ίνες άνθρακα έχουν χαμηλές θερμικές αγώγιμες ιδιότητες. Διατηρεί την αντοχή της σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας την κατάλληλη για εφαρμογές σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, όπως η αεροδιαστημική. Αυτή η ιδιότητα το καθιστά ιδανικό για χρήση σε θερμομόνωση, όπου η αντοχή στη θερμότητα είναι απαραίτητη αλλά πρέπει να διατηρηθεί η δομική ακεραιότητα. Χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή εργαλείων σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου η σταθερότητα των διαστάσεων είναι υψίστης σημασίας.

Θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα των ινών άνθρακα είναι ανισοτροπική. Το υλικό άγει αποτελεσματικά τη θερμότητα κατά μήκος των ινών, αλλά μονώνει κατά μήκος των ινών, οδηγώντας σε μοναδικές ιδιότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Λόγω της ανισοτροπική θερμική αγωγιμότητα, οι ίνες άνθρακα βρίσκουν εφαρμογές όπου η ελεγχόμενη μεταφορά θερμότητας είναι σημαντική. Όπως είναι οι ψύκτρες θερμότητας ή τα θερμικά εμπόδια σε ηλεκτρονικά και οχήματα υψηλών επιδόσεων.

Ηλεκτρικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η ίνα άνθρακα έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα. επιθυμητή σε πολλές εφαρμογές όπως η ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, γι' αυτό πρέπει να είμαστε προσεκτικοί με αυτό σε μέρη όπου χρειαζόμαστε ηλεκτρική μόνωση. Στην πραγματικότητα, οι συσχετισμοί με τα φωτεινά υλικά μας οδηγούν σε ένα άλλο υλικό άνθρακας, καθώς εκτός από τις άλλες ιδιότητές της, θα αγωγιμοποιήσει τον ηλεκτρισμό όπως ο γραφίτης, γι' αυτό και θα βρείτε ίνες άνθρακα σε εφαρμογές όπως η προστασία των αεροσκαφών από κεραυνικά πλήγματα. Αντίθετα, ενώ ο άνθρακας σε ορισμένες μορφές μπορεί να οδηγήσει τον ηλεκτρισμό, σε μια τυπική σύνθετη σχεδίαση, μια τέτοια συμπεριφορά παρατηρείται στην καλύτερη περίπτωση μόνο ακούσια, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να δίνεται προσοχή στη μόνωση των εξαρτημάτων ινών άνθρακα σε εφαρμογές όπως ιατρικές συσκευές ή ηλεκτρικά εξαρτήματα για την αποφυγή ανεπιθύμητης αγωγής.

Χρήσεις ινών άνθρακα σε διάφορες βιομηχανίες

Αεροδιαστημική βιομηχανία

Το χαμηλό βάρος των ινών άνθρακα, σε συνδυασμό με την υψηλή αντοχή τους, σημαίνει ότι είναι δημοφιλείς στην αεροναυπηγική. Και για να τα βοηθήσουν να παραμείνουν αποδοτικά και ασφαλή, τα αεροσκάφη πρέπει συνήθως να κατασκευάζονται από βαριά αλλά ελαφριά υλικά. Παίζει βασικό ρόλο σε πολλές δομές αεροσκαφών, όπως τμήματα της ατράκτου, πτέρυγες και εσωτερικά εξαρτήματα. Το καθιστά κρίσιμο υλικό τόσο για τα εμπορικά όσο και για τα στρατιωτικά αεροπλάνα, λόγω της ικανότητάς του να αντέχει στα υψηλά φορτία και τις μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες τους.

Βιομηχανία αυτοκινήτων

Στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας το υλικό αυτό χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των επιδόσεων του οχήματος. Τα ελαφριά χαρακτηριστικά του βοηθούν στην Ελαφρύνση, η οποία βελτιώνει την κατανάλωση καυσίμου και τον χειρισμό. Τα αποδοτικά σε καύσιμα οχήματα, καθώς και τα σπορ αυτοκίνητα και τα ηλεκτρικά οχήματα, χρησιμοποιούν συχνά ίνες άνθρακα για να βελτιώσουν την επιτάχυνση, το φρενάρισμα και την ικανότητα στρίψης. Τα δάπεδα είναι κατασκευασμένα από ανθρακονήματα, όπως και τα δομικά στοιχεία, τα πάνελ του αμαξώματος και οι εσωτερικές επενδύσεις, όλα για ελαφρύ βάρος και αισθητική.

Αθλητικός εξοπλισμός

Το δομικό υλικό για το ελαφρύτερο φάσμα ίνες άνθρακα χρησιμοποιείται ευρέως από πολλούς παραγωγούς αθλητικού εξοπλισμού. Η αντοχή και το μικρότερο βάρος των ανθρακονημάτων βοηθούν στις ρακέτες τένις, στα μπαστούνια του γκολφ και στα ποδήλατα. Ο σχεδιασμός από ανθρακονήματα είναι ελαφρύς, ώστε οι αθλητές να μπορούν να αποδίδουν με μεγαλύτερη επιδεξιότητα. Στα ποδήλατα, οι σκελετοί από ανθρακονήματα εξασφαλίζουν την τέλεια ισορροπία μεταξύ ακαμψίας και άνεσης- στο γκολφ, τα στελέχη από ανθρακονήματα αυξάνουν την ταχύτητα της αιώρησης και τον έλεγχο.

Ιατρικές συσκευές

Οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται επίσης σε ιατρικές συσκευές, εξασφαλίζοντας άνεση και ανθεκτικότητα. Λόγω της ελαφρότητας και της ανθεκτικότητάς τους, τα ανθρακονήματα έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε τροχούς για αναπηρικά αμαξίδια και προσθέσεις που χρησιμοποιούνται στη χειρουργική. Η ακτινοδιαύγειά του το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε εξοπλισμό απεικόνισης, καθώς δεν επηρεάζει τις ακτίνες Χ ή άλλες τεχνικές απεικόνισης. Αυτό είναι επωφελές, διότι τα εξαρτήματα από ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κρεβάτια ιατρικής απεικόνισης, επιτρέποντας την καθαρή απεικόνιση χωρίς παρεμβολές.

Κατασκευή

Οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται στις κατασκευές για την ενίσχυση δομών. Συχνά το CFRP χρησιμοποιείται για την ενίσχυση δοκών, γεφυρών, ακόμη και κτιρίων, όπου συνδέεται με πολυμερή. Το CFRP επιτρέπει αναβαθμίσεις σε προϋπάρχουσες κατασκευές που τους επιτρέπουν να φέρουν μεγαλύτερο φορτίο με μικρή αύξηση του βάρους. Η αντοχή του στη διάβρωση και την περιβαλλοντική υποβάθμιση το καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλο για έργα υποδομής σε απαιτητικά περιβάλλοντα όπως οι παράκτιες ζώνες.

Συμπέρασμα

Εξ ορισμού, οι ίνες άνθρακα είναι ένα σύνθετο υλικό, καθώς είναι ισχυρό, ελαφρύ, χημικά ανθεκτικό και ευέλικτο. Οι ποικίλες ιδιότητές του το καθιστούν απαραίτητο σε διάφορους κλάδους, από την αεροδιαστημική μέχρι τον αθλητισμό και τις κατασκευές. Στον κόσμο της τεχνικής εξέλιξης, οι ίνες άνθρακα εξακολουθούν να ωθούνται σε νέους ρόλους και χρήσεις, σηματοδοτώντας σίγουρα τη θέση τους ως ένα από τα βασικά υλικά του σύγχρονου κόσμου μας. Οι μηχανικές, θερμικές και χημικές ιδιότητες των ινών άνθρακα είναι οι λόγοι για τους οποίους αποτελούν ένα από τα πιο δημοφιλή υλικά για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων. Η προσαρμογή τους στις ανάγκες, που κυμαίνονται από την αντοχή έως την ευελιξία και τη θερμική σταθερότητα, θα διασφαλίσει ότι οι ίνες άνθρακα θα συνεχίσουν να κατέχουν ηγετική θέση στην επιστήμη των υλικών για πολλά χρόνια ακόμη.