Enkel, billig metode til at beskytte kulfiber

I de sidste 50 år, producenter har betragtet kulfiber som et drømmemateriale:Selvom individuelle fibre er tyndere end et hårstrå, de kan snoes sammen og smeltes sammen med et matrixmateriale for at danne en letvægtskomposit, der er stærkere end stål, dobbelt så stiv og en god varmeleder. Og, i modsætning til metaller, materialet revner ikke over tid. Det er blevet brugt i en lang række applikationer, inklusive luft og rumfartøjer, biler, bygninger, medicinsk udstyr og sportsudstyr.

Men kulfiber har en stor ulempe, sagde Husker -ingeniør Yongfeng Lu, ekspert i kulstofmaterialer. Under ekstreme temperaturer - rutinemæssigt stødt på i luftfartsindustrien, for eksempel - kulfiber oxiderer, hvilket betyder, at det reagerer med ilt i luften og forbrænder, ligesom træ gør, når det kombineres med nok varme og ilt. Oxidation reducerer hurtigt de drømmeagtige kvaliteter af kulfiber, især dens styrke.

"En svaghed ved kulfibre er, at de let forbrændes, hvis du har høje nok temperaturer og ilt til stede, " sagde Lu, Lott Distinguished University Professor i el- og computerteknik. "Hvis vi kunne gøre dem ikke-brændbare, så de ikke brænder, når de udsættes for ild, det ville være spændende. "

I et nyligt papir offentliggjort i PNAS , Lu's team beskriver et stort skridt i retning af det mål. Han og kolleger fra University of Nebraska-Lincoln og Institute of Condensed Matter Chemistry i Bordeaux i Frankrig udviklede en lavpris, skalerbar metode til at beskytte kulfiber mod oxidation. Tilgangen repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til andre besværlige antioxidationsprocesser, langsomt og dyrt.

"Vi forsøger at tilføje overfladelag, der kan adskille kulfiber fra ilt, så selv under høje temperaturer de vil ikke blive brændt, " sagde Lu. "Carbonfibre kan bruges på mange måder - vævet ind i tekstiler og i dele af bygninger, flyvemaskiner, elektronisk udstyr - men hvis det er brandfarligt, det udgør en ny risiko for systemet og begrænser disse applikationer meget."

For at fjerne antændelighed, Lus team har udtænkt en enkel, enkelttrinsproces, der starter med at smelte et salt, der kemisk minder meget om bordsalt. Efter at saltkrystallerne er blevet en væske, forskerne tilføjer titanium og krompulver, som er kendt for at modstå høje temperaturer. Kulfibre tilsættes derefter til blandingen.

Efter en spontan reaktion, processen giver en tre-lags belægning - lavet af chromcarbid og titaniumcarbid - der tjener som en barriere mod oxidation. Belægningen er flerlags, fordi titanium og krom hver har forskellig adfærd og reaktionshastigheder i det smeltede salt, fører til tre adskilte lag af slutproduktet. Denne tredobbelte belægning giver ekstra beskyttelse sammenlignet med et enkelt lag.

Da forskerne vurderede de belagte kulfiber mod ekstreme temperaturer - cirka 2, 200 grader Fahrenheit - og ekstreme miljøforhold simulerede de med en oxyacetylenflamme, de fandt ud af, at kulstofmaterialet bevarede sin struktur. Lu sagde, at næste trin er at identificere, hvor brandsikre de coatede fibre er sammenlignet med deres ubeskyttede modstykker, og hvor længe de kan beholde deres mest værdifulde ejendomme under ekstreme forhold.

Lus team er ikke det første til at udforske metoder til at beskytte kulfibre mod oxidation, men hvis det lykkes under yderligere test, tilgangen ville være den første med levedygtighed i stor skala. Tidligere tilgange, såsom kemisk dampaflejring, involverer dyrt udstyr, flere trin og kemiske reaktioner, der er svære at kontrollere. Metoden med smeltet salt omgår disse faldgruber ved at bruge basisk, billige materialer, der gennemgår en spontan proces ved en relativt lav temperatur på ca. 800 grader Fahrenheit.

Processen er også hurtig og ren, gør den klar til udbredt industriel brug.

"Vi har fundet en opskrift, der kan danne tre lag i en enkelt tilstand, " sagde Lu. "Med en enkelt dukkert, vi kan få tre lag belægning. "