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

Czyżby połączenie obu technologii było kluczem do ich powszechniejszej obecności na rynku? Na to wygląda, bo najnowsze informacje płynące ze Stanów Zjednoczonych są bardzo obiecujące.

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