Wat zijn koolstofvezels?
Koolstofvezels zijn grafietachtige koolstofeenheden met lange keten en een netwerkstructuur. De langketenige netwerkeenheden van koolstof ontstaan als gevolg van de catenatie-eigenschap van koolstofatomen, dat wil zeggen de koppeling van atomen van een soortgelijk element.
Thomas Elva Edison wordt gecrediteerd voor het maken van de eerste koolstofgloeidraad voor testen in de elektrische gloeidraad van de lamp met behulp van natuurlijk katoen.
Voorlopers zijn de ruwe elementen die worden gebruikt bij de productie van koolstofvezels.
Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?
De meeste koolstofvezels worden gemaakt via een proces dat polyacrylonitril of PAN wordt genoemd. Daarbij wordt een vezelplaat blootgesteld aan zo'n hoge hitte dat bijna alles behalve de koolstof zelf wordt verbrand.
Stappen om normale koolstofvezels te vervaardigen:
1: Polymerisatie: Om een polymeer met lange keten te maken, wordt de precursor gepolymeriseerd.
2: Spinnen: Daarna wordt het polymeer tot lange vezels gesponnen. Chemische en mechanische procedures worden gewoonlijk toegepast.
3: Oxiderend: De vezel wordt gestabiliseerd door deze aan de lucht te verwarmen. Het absorbeert zuurstof uit de lucht en ondergaat een geavanceerd atomair herschikkingsproces om de vezel te stabiliseren.
4: Carbonisatie: Bij afwezigheid van zuurstof helpt behandeling bij hoge temperatuur van de geoxideerde en gestabiliseerde vezels bij het verlies van niet-koolstofatomen, wat resulteert in een dicht opeengepakte koolstofvezel.
5: Oppervlaktebehandeling: Verkoolde vezels hebben een slecht hechtvermogen, waardoor ze moeilijk kunnen samensmelten met epoxyharsen om een composiet te produceren. Om dit bindende vermogen te verkrijgen, wordt het oppervlak behandeld met de juiste chemicaliën.
6: Maatvoering: Ter bescherming zijn de vezels gecoat met epoxy, nylon, polyester en andere materialen. Dit wordt maatvoering genoemd.
De ruwe koolstofvezelplaat wordt vervolgens samengevoegd met andere metalen (een belangrijk onderdeel van het begrijpen van de geleidbaarheid van koolstofvezels), en de resulterende verbinding wordt behandeld en op maat gemaakt met behulp van chemische processen.
Het proces is diepgaand en daarom duur.
GERELATEERD: 5 leuke toepassingen voor koolstofvezelplaten
Is koolstofvezel op zichzelf geleidend?
Nee, koolstofvezel is niet te geleidend als het niet met iets anders wordt gecombineerd, noch in termen van thermische, noch elektrische geleidbaarheid.
Als het gaat om thermische geleidbaarheid (het vermogen om warmte te geleiden), is koolstofvezel gemiddeld. Relatief hoogwaardige koolstofvezel heeft ongeveer evenveel warmtegeleiding als silicium, en zelfs de beste koolstofvezel heeft minder geleidbaarheid dan aluminium.
Gewoon oud koolstofvezel is iets beter als het gaat om elektrische geleiding, hoewel het nog steeds niet zo geleidend is als de meeste metalen. Wanneer het wordt gebruikt als elektrische geleider, kun je de koolstofvezel het beste modificeren door deze samen te weven met andere metalen of door een meer elektrisch geleidende koolstofallotroop te creëren, zoals diamant of grafiet.
Hoe kunnen we koolstofvezel beter geleidend maken?
Om de elektrische geleidbaarheid te vergroten, moet de koolstofvezel na isolatie met andere materialen worden behandeld. De beste verbindingen om te combineren met koolstofvezel om de geleidbaarheid te vergroten zijn latex voor ionische geleidbaarheid (via een vloeistof) en silicadamp voor elektronische geleidbaarheid (via een vaste stof).
Er zijn koolstofallotropen die warmte veel beter geleiden dan koolstofvezel -- diamant, en met name warmte geleiden tot 100x effectiever dan gewone koolstofvezel. Het maken van deze allotropen is verre van eenvoudig, maar er zijn processen waarbij druk, hitte en andere chemische reacties betrokken zijn die de transformaties mogelijk maken. Als de koolstofvezel wordt behandeld met deze koolstofallotropen wanneer ze klaar zijn, kan de warmtegeleiding van de koolstofvezel vele malen toenemen.
Is koolstofvezel geleidend? Niet zozeer in de basistoestand, maar dat kan met een beetje wetenschap gemakkelijk veranderen.
GERELATEERD: Waar wordt koolstofvezelfolie voor gebruikt?
Is koolstofvezel geleidend in vergelijking met metaal?
Niet op zichzelf, nee. Wanneer het met andere metalen wordt behandeld, is dat wel het geval.
Op zichzelf is koolstofvezel geen goede geleider van elektriciteit vergeleken met metaal. In feite geleiden de meeste metalen ongeveer 1000x elektriciteit, net zo goed als gewone koolstofvezel. Zelfs als koolstofvezel met andere materialen wordt behandeld, is het nog steeds niet zo goed als metaal als het gaat om elektriciteitsgeleiding. Metalen zoals zilver, aluminium en koper zijn vooral goed in het geleiden van elektriciteit, nog steeds ongeveer 100x zo snel als koolstofvezel die is behandeld met goede elektriciteitsgeleiders.
Het geleiden van thermische energie is een ander verhaal. Wanneer goed gemaakt en correct behandeld, is koolstofvezel eigenlijk meer warmtegeleidend dan een sterk geleidend metaal zoals koper.
Wat zijn de toepassingen van geleidende koolstofvezel?
Behandelde koolstofvezel wordt gebruikt in luxe artikelen zoals helmen en bagage, die profiteren van hun lichtgewicht en duurzaamheid. Maar de geleidbaarheid van koolstofvezel komt tot uiting in meer industriële toepassingen, zoals het opruimen van containers in technische en ruimtevaartprojecten.
De wetenschap werkt nog steeds aan het verbeteren van de elektrische geleidbaarheid van koolstofvezels. Vanwege de superieure duurzaamheid, hittebestendigheid, het lichte gewicht en het kleine formaat in vergelijking met zaken als metaaldraden, wordt verwacht dat koolstofvezelproducten in de toekomst veel meer als geleiders zullen worden gebruikt.
Koolstofvezel heeft veel verbazingwekkende eigenschappen. Eén daarvan zijn de verbazingwekkende eigenschappen ervan als thermische of elektrische geleider bij behandeling met andere metaalcomposieten.
