Historie a vývoj uhlíkových vláken

Uhlíkové vlákno je materiál, který způsobil revoluci v mnoha průmyslových odvětvích, od letectví až po sport. Jeho jedinečná kombinace vysoké pevnosti, nízké hmotnosti a odolnosti z něj činí obzvláště atraktivní volbu pro aplikace, které vyžadují vysoce výkonné materiály. Ale jak jsme se sem dostali? Pojďme se ponořit do historie uhlíkových vláken.

 

Rané dny uhlíkových vláken

 

Příběh uhlíkových vláken začíná v polovině {0}století objevem uhlíkových vláken. V roce 1879 Thomas Edison vynalezl první komerčně praktickou žárovku, která jako vlákno používala uhlíková vlákna. Během několika příštích desetiletí se uhlíková vlákna stala oblíbenou volbou pro různá elektrická zařízení, od rádií po televizory.

 

Další velký vývoj v historii uhlíkových vláken přišel v 50. letech 20. století, kdy výzkumníci začali experimentovat s plasty vyztuženými uhlíkem. Cílem bylo vytvořit materiál, který by měl pevnost a tuhost kovu, ale s nízkou hmotností a odolností proti korozi jako plast. To bylo zvláště důležité pro letecké aplikace, protože hmotnost je hlavním problémem při navrhování letadel.

 

Jedním z prvních průkopníků uhlíkových vláken byl britský chemik Sir Hugh Anderson. Na konci 50. let vyvinul Anderson proces vytváření uhlíkových vláken, který zahrnoval zahřívání vláken hedvábí na extrémně vysoké teploty. Cílem bylo vytvořit materiál, který by byl strukturou podobný grafitu, který je známý svou vysokou pevností a nízkou hmotností.

 

Andersonův proces byl poměrně jednoduchý: zahřál vlákna z umělého hedvábí na asi 1,{1}},500 stupňů Celsia v nepřítomnosti kyslíku, což způsobilo, že se vlákna rozpadla na jejich základní atomy uhlíku. Výsledná „karbonizovaná“ vlákna pak byla ošetřena plynem o vysoké teplotě, aby se dále zlepšila jejich pevnost a odolnost.

 

Rané aplikace uhlíkových vláken

 

Uhlíkové vlákno bylo zpočátku vnímáno jako materiál s velkým potenciálem pro použití v leteckém průmyslu. Vysoká pevnost a nízká hmotnost uhlíkových vláken z něj dělaly ideální volbu pro konstrukce, které musely být lehké a zároveň pevné, jako je trup a křídla letadla.

 

Na počátku 60. let začalo americké letectvo financovat výzkum uhlíkových vláken a v roce 1963 uskutečnilo svůj první let první letoun z uhlíkových vláken – McDonnell Douglas F-4 Phantom II. F-4 byl vybaven komponenty z uhlíkových vláken v ocasní části, což pomohlo snížit hmotnost letounu o přibližně 20 procent.

 

Během několika příštích let si uhlíková vlákna začala nacházet cestu do dalších aplikací v leteckém průmyslu, včetně satelitů, raket a střel. V roce 1965 NASA použila plast vyztužený uhlíkovými vlákny k sestrojení řady raket Scout, které byly použity k vynesení vědeckých nákladu na oběžnou dráhu.

 

Pokroky v technologii uhlíkových vláken

 

S rostoucí poptávkou po uhlíkových vláknech rostla i potřeba vytvořit lepší a efektivnější procesy pro výrobu materiálu. Na počátku 70. let bylo vyvinuto několik nových procesů, které umožnily rychlejší a konzistentnější výrobu uhlíkových vláken.

 

Jedním z klíčových pokroků byl „pitch“ proces výroby uhlíkových vláken. Místo toho, aby začali s hedvábím, které bylo v té době nejběžnějším materiálem používaným pro výrobu uhlíkových vláken, výzkumníci zjistili, že je možné vyrobit uhlíkové vlákno z vedlejšího produktu ropného průmyslu zvaného „smola“. Smola je hustá dehtovitá látka, která vzniká při rafinaci ropy a obsahuje vysoké procento uhlíku.

 

Proces pitch zahrnuje zahřátí hřiště na přibližně 1500 stupňů Celsia v nepřítomnosti kyslíku, což způsobí, že se rozpadne na základní atomy uhlíku. Výsledná vlákna jsou poté ošetřena vysokoteplotním plynem, aby se dále zlepšila jejich pevnost a trvanlivost.

 

Proces pitch je dnes stále nejběžnější metodou výroby uhlíkových vláken, ačkoli od svého založení došlo v této technologii k mnoha pokrokům. Výzkumníci například vyvinuli nové metody pro kontrolu velikosti a tvaru uhlíkových vláken, což může mít velký vliv na jejich pevnost a tuhost.

 

Aplikace uhlíkových vláken dnes

 

Dnes lze uhlíková vlákna nalézt v široké škále aplikací, od vysoce výkonných automobilů až po sportovní vybavení. V automobilovém průmyslu se uhlíková vlákna používají k výrobě lehkých panelů karoserie, což může pomoci zlepšit spotřebu paliva a výkon. Ve sportovním světě se z uhlíkových vláken vyrábí vše od tenisových raket po závodní kola.

 

Uhlíkové vlákno je také široce používáno v leteckém průmyslu, kde se používá k výrobě všeho od komerčních letadel po kosmické lodě. Boeing 787 Dreamliner je ve skutečnosti prvním komerčním letadlem, které má trup z kompozitního uhlíkového vlákna.

 

Jedna z nejzajímavějších aplikací uhlíkových vláken je v oblasti medicíny. Vědci zkoumají využití uhlíkových vláken jako materiálu pro tvorbu náhradních kostí a tkání, stejně jako pro implantovatelné lékařské přístroje.

 

Závěrečné myšlenky

 

Uhlíkové vlákno je materiál, který od svých počátků v 50. letech ušel dlouhou cestu. Z nového konceptu pro vytváření lehkých, vysoce pevných materiálů se stal nezbytnou součástí mnoha průmyslových odvětví po celém světě. Jak technologie postupuje, je pravděpodobné, že v nadcházejících letech uvidíme ještě více vzrušujících aplikací pro uhlíková vlákna.