Włókna węglowe są wytrzymałe, lekkie i posiadają unikalny wygląd. Składają się z różnych polimerów organicznych, których rozciągnięte struktury są podobne chemicznie do grafitu. Całość, zorganizowana w odpowiedni sposób, zapewnia dużą wytrzymałość materiału, natomiast skład chemiczny zapewnia właściwości, takie jak nietopliwość. Ich pojedyncza nitka jest wielokrotnie cieńsza od ludzkiego włosa. Pierwszy raz, włókna węglowe wykorzystał Thomas Edison, który w 1880 r. uzyskiwał je z włókien celulozowych i tworzył z nich żarniki żarówek elektrycznych. Ich największa, globalna popularność przypadła na lata 70. XX wieku, a później eskalowała w roku 2000. Od tego czasu zaczęły być wykorzystywane między innymi w produkcji części do wojskowych oraz cywilnych statków powietrznych.

Jak powstają włókna węglowe?

Proces wytwarzania tego materiału nie należy do najprostszych i najszybszych. Włókna węglowe w pierwszym etapie wymagają aż 50 godzin ogrzewania w temperaturze ok. 250 st. C. Faza ta trwa, dopóki nie nastąpi ich całkowite utlenienie. Później następuje proces eliminowania składników innych niż węgiel, który wykonuje się w temperaturze 1000 st. C. Wtedy też powstają pierścienie heksagonalne, których obecność zwiększa wytrzymałość materiału. Podwyższenie ciśnienia i temperatury do 3000 st. C sprawia, że węgiel się krystalizuje, a struktura zbliża się wizualnie do naturalnego grafitu.

W temperaturach 1000-3000 st. C, atmosfera pozbawiona zostaje tlenu, aby zapobiec ich paleniu się. Po etapie karbonizacji powierzchnia powstałych włókien niezbyt dobrze łączy się z innymi materiałami. Wymagane jest wtedy poprawienie struktury, które dokonuje się właśnie poprzez tlen. Dzięki temu staje się ona bardziej szorstka. Na końcu, włókna węglowe są pokrywane materiałem, zapobiegającym powstanie uszkodzeń podczas nawijania na rolkę lub tkania mat.

Włókna węglowe — rodzaje

Różne sploty tkanin wpływają na kilka kluczowych parametrów, charakteryzujących włókna węglowe. Są to przede wszystkim: wygląd, wytrzymałość, a także proces produkcji. Wyróżnia się trzy główne rodzaje:

  • tkaniny jednokierunkowe — wzdłuż włókien są bardzo wytrzymałe, lecz w poprzek prędzej ulegają destrukcji. Istnieje możliwość zapewnienia odpowiedniej siły materiału, umożliwiającej jego zginanie w kilku płaszczyznach. Aby to osiągnąć, należy ułożyć kilka tkanin pod różnym kątem. Z powodu ich niezbyt spektakularnego wyglądu stosuje się je w głębszych warstwach kompozytu;
  • splot 2/2 — włókna przecinają się w nim pod kątem 90°, dzięki czemu jest tak samo wytrzymały niezależnie od kierunku. Ponadto, charakteryzuje go wysoka stylistyka;
  • splot 1/1 — tkanina jest mało rozciągliwa i przeznaczona do prostszych kształtów.

Tkaniny z włókien węglowych o splotach 2/2 oraz 1/1 wykorzystywane są do produkcji bolidów.

Zastosowanie włókien węglowych w przemyśle

Opisane właściwości, które wyróżniają włókna węglowe, wpływają na ich wykorzystanie w różnych produktach, w tym takich, z których hobbystycznie korzystają niektórzy z nas. Wytrzymałość to przede wszystkim odporność na ścieranie, a umiejętność tłumienia drgań wpływa z kolei na wytwarzanie z nich artykułów sportowych. Można zaliczyć do nich między innymi wędki, rakiety tenisowe, ramy rowerów i samochodów sportowych oraz niektóre elementy jachtów.

Odporność na ścieranie, a także utrzymywanie dobrego stanu mimo wysokich temperatur (zaawansowany poziom przewodnictwa cieplnego) to cechy, które skłaniają do wykorzystania włókien węglowych w celu odbywania podróży kosmicznych. Są one obecne w osłonach wahadłowców i rakiet. Pozostaje jeszcze jedno pytanie — czy włókna węglowe przewodzą prąd? Tak, stają się dobrymi przewodnikami elektrycznymi, ale następuje to dopiero po procesach grafityzacji i interkalacji. Dzięki temu wykorzystuje się je do konstrukcji mikroelektrod i elektrod do ogniw paliwowych.