Grafen sprawia, że nowe włókna węglowe są silniejsze, twardsze i… tańsze

Są wyjątkowo silne, twarde i o relatywnie niskiej wadze, więc wydają się spełnieniem marzeniem wszystkich inżynierów, ale niestety włókna węglowe, bo o nich właśnie mowa, powszechniej stosuje się jedynie w rowerach, samochodach i lotnictwie. Dlaczego? Głównie ze względu na wysoki koszt produkcji, który jest tu czynnikiem hamującym upowszechnianie tego materiału, ale być może już niedługo się to zmieni, a wszystko za sprawą dodatku niewielkiej ilości grafenu, który ma szansę sprawić, że włókno węglowe będzie nie tylko tańsze, ale i znacznie lepsze.

W obecnej formie włókna węglowe kosztują ok. 15 USD za 0,45 kg, a naukowcy z Pennsylvania State University, University of Virginia i Oak Ridge National Laboratory celują ze swoim pomysłem w poziom ok. 5 USD, więc mówimy o dużej różnicy ceny. Ich zdaniem możliwe jest bowiem wprowadzenie drobnych zmian w bardzo drogim procesie produkcyjnym, by włókna węglowe w końcu stały się opłacalną opcją, szczególnie dla producentów masowych samochodów: - Chociaż włókna węglowe mają całkiem przyjemne cechy, to przy obecnym procesie produkcyjnym znacznie podniosłyby cenę samochodu. Jeśli więc możesz sprawić, że właściwości te zostaną zachowane i będą łatwiejsze w wytwarzaniu, to możesz sprawić, że samochody będą lżejsze, tańsze i bezpieczniejsze.

Jednym z powodów, przez które włókna węglowe są tak drogie, jest fakt, że są produkowane z kosztownego polimeru o nazwie poliakrylonitryl (PAM). Odpowiada on za 50% całkowitego kosztu produkcji włókna węglowego i wymaga ogromnych ilości energii, głównie przez ekstremalne temperatury wymagane do zmiany go w długie i silnie włókna. Zaczyna się bowiem od 200-300℃ w fazie pirolizy, następnie do akcji wchodzi 1200-1600℃ podczas karbonizacji włókna, mające na celu usunięcie innych składników poza węglem, by skończyć na 2100℃ niezbędnych do krystalizacji węgla. Zespół naukowców sprawdzał więc, jakie inne materiały można dodać do tej mieszanki, żeby obniżyć zależność od PAM, jednocześnie zwiększając wydajność procesu i właściwości materiału.

Po wielu próbach okazało się, że najlepszy będzie grafen, bo wystarczy go jedynie odrobina (udział według wagi na poziomie 0,0075) w pierwszym etapie produkcji, żeby osiągnąć imponujące rezultaty. Wyprodukowane w takim procesie włókna węglowe okazały się 225% silniejsze i 184% twardsze niż klasyczne: - Połączyliśmy eksperymenty o różnej skali nie tylko, żeby pokazać, że ten proces działa, ale i dostarczyć dowodów na poziomie atomu, dlaczego takie dodatki działają. Ta wiedza pozwala nam dalej optymalizować proces - twierdzi przedstawiciel zespołu. Wydaje się więc, że to jeszcze nie koniec i naukowcy będą faktycznie dążyć do tego, by użycie włókien węglowych stało się opłacalne do tego stopnia, że sięgać będzie się po nie we wszystkich branżach.

Źródło: GeekWeek.pl/Pennsylvania State University