Hvad er kulfibre?
Kulfibre er grafitlignende langkædede kulstofenheder med en netværksstruktur. De langkædede netværksenheder af carbon opstår på grund af carbonatomers kædeegenskaber, dvs. koblingen af atomer af et lignende grundstof.
Thomas Elva Edison er krediteret for at skabe den første carbon filament til test i pærens elektriske filament ved hjælp af naturlig bomuld.
Forstadier er de råstoffer, der bruges i produktionen af kulfibre.
Hvordan laves kulfiber?
De fleste kulfiber er lavet af en proces kaldet polyacrylonitril eller PAN. I processen udsættes en fiberplade for så høj varme, at næsten alt undtagen kulstoffet selv bliver brændt af.
Trin til fremstilling af normale kulfibre:
1: Polymerisation: For at lave en langkædet polymer polymeriseres precursoren.
2: Spinding: Derefter spindes polymeren til lange fibre. Kemiske og mekaniske procedurer er almindeligt anvendte.
3: Oxiderende: Fiberen stabiliseres ved at varme den op i luften. Det absorberer ilt fra luften og gennemgår en sofistikeret atomomlægningsproces for at stabilisere fiberen.
4: Karbonisering: I fravær af ilt hjælper højtemperaturbehandling af de oxiderede og stabiliserede fiber til tabet af ikke-kulstofatomer, hvilket resulterer i en tætpakket kulfiber.
5: Overfladebehandling: Carboniserede fibre har dårlige bindingsevner, hvilket gør det vanskeligt for dem at smelte sammen med epoxyharpikser for at danne en komposit. For at opnå denne bindingsevne behandles overfladen med de passende kemikalier.
6: Dimensionering: Til beskyttelse er fibrene belagt med epoxy, nylon, polyester og andre materialer. Dette kaldes dimensionering.
Kulfiberråpladen smeltes derefter sammen med andre metaller (en vigtig del af forståelsen af kulfiberledningsevnen), og den resulterende forbindelse behandles og dimensioneres ved hjælp af kemiske processer.
Processen er dybtgående og derfor dyr.
Er kulfiber ledende i sig selv?
Nej, kulfiber er ikke for ledende, når det ikke er kombineret med noget andet, hverken hvad angår termisk eller elektrisk ledningsevne.
Når det kommer til termisk ledningsevne (evnen til at lede varme), er kulfiber gennemsnitlig. Relativt højkvalitets kulfiber har omtrent lige så meget varmeledningsevne som silicium, og selv top-of-the-line kulfiber har mindre ledningsevne end aluminium.
Almindelig gammel kulfiber er en smule bedre, når det kommer til elektrisk ledning, selvom den stadig ikke er så ledende som de fleste metaller. Når den bruges som en elektrisk leder, er det bedst at modificere kulfiberen ved at væve den sammen med andre metaller eller ved at skabe en mere elektrisk ledende kulstofallotrop som diamant eller grafit.
Hvordan kan vi gøre kulfiber mere ledende?
For at øge den elektriske ledningsevne bør kulfiberen behandles med andre materialer, når den er isoleret. De bedste forbindelser til at kombinere med kulfiber for at øge ledningsevnen er latex for ionisk ledningsevne (gennem en væske) og silica damp til elektronisk ledningsevne (gennem et fast stof).
Der er kulstofallotroper, der leder varme meget bedre end kulfiber ---diamant, især leder varme op til 100 gange mere effektivt end almindelig kulfiber. At skabe disse allotroper er langt fra let, men der er processer, der involverer tryk, varme og andre kemiske reaktioner, der gør transformationerne mulige. Hvis kulfiberen behandles med disse kulstofallotroper, når de er klar, kan kulfiberens varmeledningsevne mangedobles.
Så er kulfiber ledende? Ikke så meget i sin basistilstand, men det kan nemt ændre sig med lidt videnskab.
Er kulfiber ledende sammenlignet med metal?
Ikke i sig selv, nej. Når det behandles med andre metaller, er det dog.
I sig selv er kulfiber ikke en stor leder af elektricitet sammenlignet med metal. Faktisk leder de fleste metaller elektricitet omkring 1000x såvel som almindelig kulfiber. Selv når det behandles med andre materialer, er kulfiber stadig ikke helt så godt som metal, når det kommer til elektricitetsledning. Metaller som sølv, aluminium og kobber er særligt gode til at lede elektricitet, stadig omkring 100 gange så hurtigt som kulfiber behandlet med gode elektricitetsledere.
At lede termisk energi er en anden historie. Når de er lavet godt og behandlet korrekt, er kulfiber faktisk mere varmeledende end et stærkt ledende metal som kobber.
Hvad er brugen af ledende kulfiber?
Behandlet kulfiber bruges i luksusartikler som hjelme og bagage, der nyder godt af at være lette og holdbare. Men kulfiberens ledningsevne skinner i mere industrielle anvendelser som containerbeklædning i ingeniør- og rumfartsprojekter.
Videnskaben arbejder stadig på at forbedre den elektriske ledningsevne af kulfiber. På grund af dens suveræne holdbarhed, varmebestandighed, lette vægt og lille størrelse sammenlignet med ting som metaltråde, forventes det, at kulfiberprodukter vil blive brugt meget mere som ledere i fremtiden.
Kulfiber har mange fantastiske kvaliteter. En af dem er dens fantastiske evner som termisk eller elektrisk leder, når den behandles med andre metalkompositter.