Oglekļa šķiedra ir tekstilmateriāls, kas galvenokārt sastāv no oglekļa. To ražo, dažādus uz oglekļa bāzes izgatavotus polimērus vērpjot šķiedrās, apstrādājot tās, lai atdalītu lielāko daļu citu vielu, un iegūto materiālu aužot audumā. Tas parasti ir iestrādāts plastmasā — parasti epoksīda —, veidojot ar oglekļa šķiedru pastiprinātu plastmasu vai oglekļa šķiedras kompozītmateriālu. Materiāla ievērojamākās īpašības ir tā augstā stiprības un svara attiecība un relatīvā ķīmiskā inerce. Šīs īpašības nodrošina to plašu pielietojumu klāstu, taču tā izmantošanu ierobežo fakts, ka tas ir diezgan dārgs.
Ražot
Šī materiāla ražošanā parasti izmanto poliakrilnitrilu (PAN), plastmasu, ko izmanto sintētiskajos tekstilizstrādājumos apģērbam, vai piķi, darvai līdzīgu vielu, kas izgatavota no naftas. Piķis vispirms tiek savērpts pavedienos, bet PAN parasti ir šķiedru formā. Tie tiek pārveidoti par oglekļa šķiedru, spēcīgi karsējot, lai noņemtu citus elementus, piemēram, ūdeņradi, skābekli un slāpekli; šo procesu sauc par pirolīzi. Šķiedru izstiepšana šīs procedūras laikā palīdz novērst nelīdzenumus, kas var vājināt galaproduktu.
Neapstrādātās šķiedras sākotnēji tiek uzkarsētas līdz aptuveni 590 °F (300 °C) gaisā un zem spriedzes, fāzē, kas pazīstama kā oksidēšana vai stabilizācija. Tas no molekulām atdala ūdeņradi un pārvērš šķiedras mehāniski stabilākā formā. Pēc tam tie tiek uzkarsēti līdz aptuveni 1,830 °F (1,000 °C) bez skābekļa fāzē, ko sauc par karbonizāciju. Tas noņem papildu bezoglekļa materiālu, atstājot galvenokārt oglekli.
Ja ir nepieciešamas augstas kvalitātes, augstas stiprības šķiedras, notiek nākamais posms, ko sauc par grafitizāciju. Materiāls tiek uzkarsēts līdz 1,732–5,500 °F (1,500–3,000 °C), lai oglekļa atomu veidošanos pārvērstu grafītam līdzīgā struktūrā. Tas arī noņem lielāko daļu atlikušo bezoglekļa atomu. Terminu “oglekļa šķiedra” lieto materiāliem, kuru oglekļa saturs ir vismaz 90%. Ja oglekļa saturs ir lielāks par 99%, materiālu dažreiz sauc par grafīta šķiedru.
Rezultātā iegūtā neapstrādātā oglekļa šķiedra slikti sasaistās ar kompozītmateriālu ražošanā izmantotajām vielām, tāpēc tā tiek viegli oksidēta, apstrādājot ar piemērotām ķīmiskām vielām. Struktūrai pievienotie skābekļa atomi ļauj tai veidot saites ar plastmasu, piemēram, epoksīdu. Pēc plāna aizsargpārklājuma uzklāšanas tas tiek ieausts vajadzīgo izmēru dzijās. Tos savukārt var ieaust audumos, kurus pēc tam parasti iestrādā kompozītmateriālos.
Struktūra un īpašības
Vienas šķiedras diametrs ir aptuveni 0.0002–0.0004 collas (0.005–0.010 mm); dzija sastāv no daudziem tūkstošiem šo pavedienu, kas ir savīti kopā, veidojot ārkārtīgi spēcīgu materiālu. Katrā virknē oglekļa atomi ir sakārtoti līdzīgi kā grafīts: sešstūra gredzeni, kas savienoti kopā, veidojot loksnes. Grafītā šīs loksnes ir plakanas un tikai vāji savienotas viena ar otru, lai tās viegli izslīdētu. Oglekļa šķiedrā loksnes ir salocītas un saburzītas, un tās veido daudz mazu, savstarpēji bloķējošu kristālu, kas pazīstams kā kristalīti. Jo augstāka ir ražošanā izmantotā temperatūra, jo vairāk šie kristalīti orientējas pa šķiedras asi un jo lielāka ir stiprība.
Kompozītā svarīga ir arī pašu šķiedru orientācija. Atkarībā no tā materiāls var būt stiprāks noteiktā virzienā vai vienādi stiprs visos virzienos. Dažos gadījumos neliels gabals var izturēt daudzu tonnu triecienu un joprojām minimāli deformēties. Šķiedras kompleksais savstarpējais raksturs padara to ļoti grūti salauzt.
Stiprības un svara attiecības ziņā oglekļa šķiedras kompozīts ir labākais materiāls, ko civilizācija var saražot ievērojamos daudzumos. Stiprākie ir aptuveni piecas reizes stiprāki par tēraudu un ievērojami vieglāki. Tiek pētīta iespēja materiālā ievietot oglekļa nanocaurules, kas var uzlabot stiprības un svara attiecību 10 vai vairāk reizes.
Citas noderīgas īpašības ir tās spēja izturēt augstu temperatūru un inerce. Molekulārā struktūra, tāpat kā grafīts, ir ļoti stabila, nodrošinot tai augstu kušanas temperatūru un mazinot iespēju ķīmiski reaģēt ar citām vielām. Tāpēc tas ir noderīgs komponentiem, kas var tikt pakļauti karstumam, un lietojumiem, kuriem nepieciešama izturība pret koroziju.
Izmanto
Oglekļa šķiedra tiek izmantota daudzās jomās, kur nepieciešama augsta izturības un maza svara kombinācija. Tajos ietilpst sabiedriskais un privātais transports, piemēram, automašīnas, lidmašīnas un kosmosa kuģi; sporta aprīkojums, piemēram, sacīkšu velosipēdi, slēpes un makšķeres; un būvniecība. Materiāla relatīvā inerce padara to labi piemērotu izmantošanai ķīmiskajā rūpniecībā un medicīnā — to var izmantot implantos, jo tas nereaģēs ar vielām organismā. Inženierbūvē ir noteikts, ka vecos tiltus no iznīcināšanas un pārbūves var pasargāt, izmantojot vienkāršus oglekļa šķiedras stiegrojumus, kas ir salīdzinoši lētāki.
Ekonomika
Kopš 2013. gada oglekļa šķiedras lietojumu un pieprasījumu ierobežo tās izmaksas. No kompozītmateriāla izgatavots velosipēds parasti maksā apmēram dažus tūkstošus ASV dolāru (USD). Pirmās formulas sacīkšu automobiļu, kas brauc ar ātrumu virs 200 jūdzēm stundā (320 km/h), būvniecība un uzturēšana var izmaksāt vairāk nekā 1 miljonu ASV dolāru, un izmaksas lielā mērā nosaka šī materiāla dāsnā izmantošana. Tomēr pieprasījums ir ievērojami pieaudzis, galvenokārt pateicoties lielo komerciālo lidmašīnu ražošanas apjoma pieaugumam. Ja izmaksas var ievērojami samazināt, tas var kļūt par universālu materiālu transportlīdzekļiem un maziem izstrādājumiem, kas paredzēti ārkārtējai izturībai un vieglumam.