Innovativ metode forbedrer styrke og modul i kulfiber

Kulfiber er stærkere og lettere end stål, og kompositmaterialer baseret på kulfiberforstærkede polymerer bruges i et ekspanderende område inden for rumfart, bil, og andre applikationer - herunder større dele af Boeing 787 -flyet. Det er udbredt tro, i øvrigt, at kulfiberteknologi har potentiale til at producere kompositter mindst 10 gange stærkere end dem, der er i brug i dag.

Et forskerhold ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny teknik, der sætter en ny milepæl for styrken og modulet af kulfiber. Denne alternative tilgang er baseret på en innovativ teknik til centrifugering af polyacrylonitril (PAN), en organisk polymerharpiks, der bruges til fremstilling af kulfiber.

Arbejdet er en del af et fireårigt, $ 9,8 millioner projekt sponsoreret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) for at forbedre styrken af ​​kulfibermaterialer. Forskningen blev for nylig rapporteret i tidsskriftet Kulstof .

"Ved at bruge en gelspindende teknik til at behandle polyacrylonitrilcopolymer til kulfiber, vi har udviklet næste generations kulfiber, der udviser en kombination af styrke og modul, der ikke tidligere er set med den konventionelle løsningsspundne metode, "sagde Satish Kumar, en professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering, der leder projektet. "Ud over, vores arbejde viser, at den gelspindende tilgang giver en vej til endnu større forbedringer. "

Kumar forklarede, at trækmodul - et mål for stivhed - refererer til den kraft, der er nødvendig for at strække et materiale med en given mængde. Trækstyrke udtrykker, hvor meget kraft der kræves for faktisk at bryde materialet.

Ved gelspinning, opløsningen omdannes først til en gel; denne teknik binder polymerkæder sammen og producerer robuste mellemkædede kræfter, der øger trækstyrken. Gelspinning øger også retningen af ​​fibre, hvilket også øger styrken. Derimod, ved konventionel løsning, der centrifugerer en proces udviklet for mere end 60 år siden, PAN-co-polymeropløsning omdannes direkte til en fast fiber uden den mellemliggende geltilstand og producerer mindre robust materiale.

Den gelspundne kulfiber produceret af Kumars team blev testet med 5,5 til 5,8 gigapascal (GPa)-et mål for den endelige trækstyrke-og havde en trækmodul i 354-375 GPa-området. Materialet blev produceret på en kontinuerlig karboniseringslinje hos Georgia Tech, der blev konstrueret til dette DARPA -projekt.

"Dette er den højeste kombination af styrke og modul for enhver kontinuerlig fiber, der er rapporteret til dato, "Sagde Kumar." Og med en kort målelængde, fibertrækstyrke blev målt så højt som 12,1 GPa, som er den højeste trækstyrkeværdi, der nogensinde er rapporteret for en PAN-baseret kulfiber. "

I øvrigt, Kumar bemærkede, den indre struktur af disse gelspundne kulfiber målt på nanoskala viste færre ufuldkommenheder end de nyeste kommercielle kulfiber, såsom IM7. Specifikt, de gelspundne fibre viser en lavere grad af sammenfletninger af polymerkæder end dem, der produceres ved opløsnings-centrifugering. Dette mindre antal sammenfiltringer skyldes, at gelspinning anvender lavere koncentrationer af polymer end opløsnings-centrifugeringsmetoder.

Kumar og hans team konverterer den gelspundne polymerblanding til kulfiber via en selektiv behandlingsproces kaldet pyrolyse, hvor den spundne polymer gradvist udsættes for både varme og strækninger. Denne teknik eliminerer store mængder brint, ilt, og nitrogen fra polymeren, efterlader for det meste styrkeforøgende kulstof.

"Det er vigtigt at huske, at den nuværende ydeevne af løsningsspundne PAN-baserede kulfiber er opnået efter mange års materiale- og procesoptimering-alligevel er der indtil nu blevet udført meget begrænsede materiale- og procesoptimeringsundersøgelser om den gelspundne PAN fiber, "Sagde Kumar." I fremtiden vil vi mener, at materialer og procesoptimering, forbedret fibercirkel, og øget opløsningshomogenitet vil yderligere øge styrken og modulet for den gelspindende metode. "