|
== Všeobecná charakteristika ==
Pri výrobe uhlíkového vlákna sa atómy uhlíka spájajú do kryštalickej mriežky paralelne k pozdĺžnej oseosi vlákna, čo má za následok vysokú [[pevnosť v ťahu]]. Typicky je viacero vlákien spájaných dohromady a tvoria niť, ktorá je ďalej spracovaná na tkaninu podľa konkrétnych potrieb.
Okrem vysokej pevnosti v ťahu sa uhlíkové vlákno vyznačuje aj vynikajúcou odolnosťou voči agresívnym chemikáliám, vysokej teplote a má nízku [[Tepelná rozťažnosť|tepelnú rozťažnosť]]. Tieto vlastnosti spolu s veľmi nízkou [[hmotnosť]]ou ho predurčujú ako vynikajúci konštrukčný materiál v leteckej a kozmickej technike, v športových potriebpotrebách, motoristickom športe aj armáde. Pri niektorých aplikáciách je nahrádzaný najmä [[kevlar]]ovým vláknom, ktoré má podobné vlastnosti, ale jejeho podstatnevýroba lacnejšieje napodstatne výrobulacnejšia.
Postupne vytláča [[sklené vlákno]], ktoré je síce extrémne lacné, ale má podstatne vyššiu hmotnosť a aj v iných aspektoch nedosahuje také dobré výsledky, ako uhlíkové vlákno.
Samotné uhlíkové vlákno je zväčša len hlavným konštrukčným materiálom pri výrobe [[kompozit|kompozitných materiálov]]. Väčšinou sa uhlíkové vláknavlákno alebo tkanina z uhlíkových vlákien (aj v niekoľkých vrstvách), vytvaruje do presne požadovaného výsledného tvaru, spevní [[epoxid]]ovou živicou a vytvorí tak uhlíkový laminát. Je obdobou [[sklolaminát]]u, kde sa namiesto uhlíkových vlákien sa použijú sklené vlákna.
Uhlíkový laminát má vyššiu pevnosť ako [[oceľ]], je však ľahší a pružnejší. TaktiežZároveň sa s ním ľahšie pracuje, ačo umožňuje vytvárať prakticky akékoľvek predmety a tvary aj v amatérskych podmienkach. Pre vysokú tepelnú odolnosť sa vyrábajú špeciálne uhlíko-grafitové kompozity, ktoré sa vyhotovujú spekaním uhlíkových vlákien do grafitovej matice.
== História ==
Uhlíkové vlákno v roku [[1958]] vytvoril fyzik [[Roger Bacon]] na pôde [[Union Carbide]] v Technickom Centrecentre v Parme, dnes GrafTech International Holdings Inc. v [[Cleveland]]e, štát [[Ohio]].<ref>Bacon, R. "Filamentary graphite and method for producing the same" US Patent:2957756, Priority date March 18, 1958</ref><ref>{{cite web |url = http://portal.acs.org/portal/PublicWebSite/education/whatischemistry/landmarks/carbonfibers/index.htm |title = High Performance Carbon Fibers |publisher = American Chemical Society |work = National Historic Chemical Landmarks |accessdate= March 25, 2013}}</ref> Prvé vlákna boli vyrobené spekaním zväzku viskózových vlákien až kým skarbonizovali. Výsledkom boli vlákna iba s 20%-ným obsahom uhlíka, nízkou pevnosťou a tuhosťou. Počiatkom 60-tych rokov bol proces zdokonalenýzdokonalil Dr. AkiomAkio ShindomShindo v Agentúre priemyselnej vedy a technológií v [[Japan|Japonsku]], použitím [[Polyakrylnitrilové vlákno|polyakrylnitrilových vlákien]] (PAN) ako zdrojového materiálu. Tentokrát bola dosiahnutá úroveň 55%-ného obsahu uhlíka.
Proces výroby bol ďalej zdokonaľovanýzdokonaľovala skupinouskupina vedcov (W. Watt, L. N. Phillips, anda W. Johnson) vo Výskumnom stredisku britského Ministerstva obrany (RAE) vo Farnborough, [[Hampshire]]. Postup bol patentovaný Ministerstvom obrany [[Spojené kráľovstvo|Spojeného kráľovstva]] a licencovaný NárodnouNárodná výskumno-vývojovouvývojová korporácioukorporácia (NRDC) udelila licenciu na jeho využitie trom spoločnostiam: [[Rolls-Royce]], Morganite a Courtaulds. V priebehu niekoľkých rokov spustili priemyselnú výrobu karbónových vlákien a Rolls-Royce vďaka nimvýhodám nového získalmateriálu výhoduprenikol na americkomamerický trhutrh sso ichsvojím leteckým motorom RB-211.
Súčiastky zhotovené z karbónových vlákien v novom motore Rolls-Royce však vykazovali nadmernú nespoľahlivosť. SpoluToto spolu s inýmiďalšími problémami muselaspôsobilo, byťže firma znárodnenámusela byť zoštátnená a továreň na výrobu uhlíkových vlákien bolasa predanáodpredala spoločnosti "Bristol Composites".
Kvôli rôznym problémom výrobuod výroby vlákien postupne opustiliupustili Morganite aj Courtaulds. PoslednePosledná menovaná vydržala vyrábať vlákna a výrobkyprodukty z nich až do roku [[1991]]. Technológia však sľubovala dobré výsledky, a tak bola v sedemdesiatych rokoch adaptovaná a rozvíjaná viacerými spoločnosťami po svete. Ako zdrojový materiál sa testovali rôzne [[polymér]]y a [[ropa|ropné]] deriváty. Vyrobené vlákna mali až 85%-ný obsah uhlíka a vynikajúce štrukturálne vlastnosti v ťahu. V danomtomto období japonskávýrazne vláda vývojpodporovalavývoj a výskum uhlíkových vlákien výrazne podporovala,aponská vláda pričom hneď niekoľko spoločností zahájilozahčao vývojvs aývoj oma výrobuvýrobuo: Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon a [[Mitsubishi]]. VVývoj a výroba sa začali rozbiehať aj v [[Európa|Európe]] a USA sa vývoj a výroba taktiež začala rozbiehať, aji keď s odlišnou technológiou na základe vlastných výskumov. K najväčším a najúspešnejším spoločnostiam v tejto oblasti patria Hercules, [[BASF]], Celanese USA a Akzo v Európe.
Počas tohto obdobia bolo vyvinutých niekoľko druhov technologických postupov a typov uhlíkových vlákien s rôznymi vlastnosťami. Napríklad vlákno T400 od Toray má pevnosť v ťahu 4,400 MPa a modul pružnosti v ťahu 250 GPa.<ref>[http://www.toraycfa.com/pdfs/T400HDataSheet.pdf Datasheet T400H od Toray]</ref> Uhlíkové vlákna od Toray, Celanese alebo Akzo si našli cestu pre použitie v leteckom priemysle, najmä u výrobcov lietadiel ako [[McDonnell Douglas]], [[Boeing]] či [[Airbus]]. Po roku [[2000]] využívanie a dôležitosť uhlíkových vlákien rastie stále rýchlejším tempom.
=== Kompozitné materiály ===
Uhlíkové vlákno jesa najviac používanépoužíva kna posilneniuposilnenie kompozitných materiálov, najmä v oblasti vystužovania polymérov. Postupy sú prakticky totožné ako upri [[sklolaminát]]u, avšak kladie sa však väčší dôraz na čistotu a bezchybnosť výrobkov. Nezriedka sa "odliatky" vyrábajú alebo vytvrdzujú za pomoci vákua.
Nepolymérové aplikácie zahŕňajú najmä uhlíkouhlíkovo-grafitové kompozity, ktoré súsa používanépoužívajú v raketovej technike a armáde. Tvoria kľúčovú súčasť prvkov rakiet alebo návratových modulov, ktoré musia odolávať vysokým teplotám v dôsledku trenia so vzduchom pri vysokej rýchlosti so vzduchom.
Uhlíkové vlákna je možné nájsť aj v špeciálnych filtroch na horúce plyny, pretože len málo materiálov má podobnú štruktúru a dokáže dlhodobo odolávať vysokým teplotám bez výraznejších známok únavy, zmien alebo poškodenia štruktúry.
Špeciálne upravené formy uhlíkových vlákien sa používajú ako antikorózne ochranyantikorózna, antistatickéantistatická a protipožiarneprotipožiarna ochrana.<ref>{{cite journal|author=Zhao, Z. and Gou, J. |title=Improved fire retardancy of thermoset composites modified with carbon nanofibers|journal= Sci. Technol. Adv. Mater. |volume=10 |year=2009|pages=015005 |doi=10.1088/1468-6996/10/1/015005 |format=free download}}</ref>
Uhlíkové kompozity postupne vytláčajú hliník a duralové zliatiny z použitia v leteckom priemysle. Dôvodom je najmä neexistencia galvanickej korózie a vyššia pružnosť.<ref>[http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/aero_07/corrosn.html "Design for Corrosion."] boeing.co</ref> Napríklad [[Airbus A350]] je postavenýzhotovený z 53% z uhlíkového laminátu,<ref name="presentation">{{cite web |url=http://www.eads.com/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf |title= Taking the lead: A350XWB presentation |publisher= EADS |date=December 2006 |archiveurl= http://web.archive.org/web/20090327094646/http://www.eads.com/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf |archivedate= 27 March 2009}}</ref> vrátane krídielkrídel a trupu, upri [[Boeing 787 Dreamliner|Boeingu 787 Dreamliner]] je to približne 50%.
=== Mikroelektróda ===
Uhlíkové vlákno sa používa aj v amperometrii, alebo vysokorýchlostnej skenovacej voltmetrii na detekciu biochemických signálov. Jediné vlákno os priemerepriemerom 5–7 [[Mikrometer|μm]] je umiestnené do sklenenej kapiláry a zafixované epoxidom. Špičku elektródy tvorí buď vyleštený povrch epoxidu s vláknom, alebo jesa vlákno skrátenéskracuje na presnú dĺžku medzi 75–150 μm a tvorí cylindrickú [[Elektróda|elektródu]].<ref>{{cite journal|last=Pike|first=Carolyn M.|coauthors=Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B.|title=Fabrication of Amperometric Electrodes|journal=Journal of Visualized Experiments|date=4 May 2009|issue=27|doi=10.3791/1040}}</ref>
=== Katalyzátor ===
== Syntéza ==
JednotlivéKaždé uhlíkové vlákno začína svoju existenciu ako polymérový prekurzor. Je ním buď polyakrylonitrilupolyakrylonitril (PAN), rayon (viskóza), alebo [[asfalt]]. Prekurzory sa najprv zvlákňujú z východzejvýchodiskovej taveniny alebo syntetického polyméru na jednotlivé zväzky vlákien. Prechádzajú radom chemických a mechanických krokov, ktorých účelom je urovnať [[atóm]]ovú štruktúru vlákna do požadovanej konfigurácie. Každý výrobca má túto fázu inú a je často predmetom výrobného tajomstva. Druhým dôležitým krokom je karbonizácia, keď sa vlákno zohrieva na približne 1000-2000 °C bez prístupu vzduchu v niekoľkých krokoch. Výsledkom je vlákno s obsahom uhlíka 85-95%. PreNa dosiahnutie vyššej koncentrácie sa používa dodatočná grafitizácia pri teplotách 2400-3000°C. Obsah uhlíka v takom prípade dosahuje nadpresahuje 99%, má lepšie vlastnosti, ale je aj podstatne drahší. Týmto vláknam sa hovorí aj ''vyššie modulované uhlíkové vlákna''.
Na konci výrobného procesu sa karbonizované vlákno ešte upravujeprechádza povrchovou úpravoua aleboochrannou ochranouúpravou.<ref>{{cite web |url=http://www.zoltek.com/carbonfiber/how-is-it-made/ |title=How It Is Made |work=zoltek.com}}</ref>
=== Výrobcovia ===
| 