కార్బన్ ఫైబర్ ఎలా తయారవుతుంది?

ఈ బలమైన, తేలికైన పదార్థం యొక్క తయారీ, ఉపయోగాలు మరియు భవిష్యత్తు

గ్రాఫైట్ ఫైబర్ లేదా కార్బన్ గ్రాఫైట్ అని కూడా పిలుస్తారు, కార్బన్ ఫైబర్ మూలకం కార్బన్ యొక్క చాలా సన్నని తంతువులను కలిగి ఉంటుంది. ఈ ఫైబర్స్ అధిక తన్యత శక్తిని కలిగి ఉంటాయి మరియు వాటి పరిమాణానికి చాలా బలంగా ఉంటాయి. వాస్తవానికి, కార్బన్ ఫైబర్ యొక్క ఒక రూపం-కార్బన్ నానోట్యూబ్-అందుబాటులో ఉన్న బలమైన పదార్థంగా పరిగణించబడుతుంది. కార్బన్ ఫైబర్ అప్లికేషన్‌లలో నిర్మాణం, ఇంజనీరింగ్, ఏరోస్పేస్, అధిక-పనితీరు గల వాహనాలు, క్రీడా పరికరాలు మరియు సంగీత వాయిద్యాలు ఉన్నాయి. శక్తి రంగంలో, విండ్‌మిల్ బ్లేడ్‌లు, సహజ వాయువు నిల్వ మరియు రవాణా కోసం ఇంధన కణాల ఉత్పత్తిలో కార్బన్ ఫైబర్ ఉపయోగించబడుతుంది. విమానాల పరిశ్రమలో, ఇది సైనిక మరియు వాణిజ్య విమానాలు, అలాగే మానవరహిత వైమానిక వాహనాలు రెండింటిలోనూ అనువర్తనాలను కలిగి ఉంది. చమురు అన్వేషణ కోసం, ఇది డీప్‌వాటర్ డ్రిల్లింగ్ ప్లాట్‌ఫారమ్‌లు మరియు పైపుల తయారీలో ఉపయోగించబడుతుంది.

వేగవంతమైన వాస్తవాలు: కార్బన్ ఫైబర్ గణాంకాలు

• కార్బన్ ఫైబర్ యొక్క ప్రతి స్ట్రాండ్ ఐదు నుండి 10 మైక్రాన్ల వ్యాసం కలిగి ఉంటుంది. అది ఎంత చిన్నదో మీకు అర్థం కావడానికి, ఒక మైక్రాన్ (ఉమ్) 0.000039 అంగుళాలు. స్పైడర్‌వెబ్ సిల్క్ యొక్క ఒక స్ట్రాండ్ సాధారణంగా మూడు నుండి ఎనిమిది మైక్రాన్‌ల మధ్య ఉంటుంది.
• కార్బన్ ఫైబర్‌లు ఉక్కు కంటే రెండు రెట్లు గట్టిగా ఉంటాయి మరియు ఉక్కు కంటే ఐదు రెట్లు బలంగా ఉంటాయి (బరువు యూనిట్‌కు). అవి అధిక రసాయనికంగా నిరోధకతను కలిగి ఉంటాయి మరియు తక్కువ ఉష్ణ విస్తరణతో అధిక-ఉష్ణోగ్రత సహనాన్ని కలిగి ఉంటాయి.

ముడి సరుకులు
కార్బన్ ఫైబర్ సేంద్రీయ పాలిమర్‌ల నుండి తయారవుతుంది, ఇందులో కార్బన్ పరమాణువులు కలిసి ఉండే పొడవైన అణువుల తీగలను కలిగి ఉంటాయి. చాలా కార్బన్ ఫైబర్‌లు (సుమారు 90%) పాలియాక్రిలోనిట్రైల్ (PAN) ప్రక్రియ నుండి తయారవుతాయి. కొద్ది మొత్తంలో (సుమారు 10%) రేయాన్ లేదా పెట్రోలియం పిచ్ ప్రక్రియ నుండి తయారు చేస్తారు.

తయారీ ప్రక్రియలో ఉపయోగించే వాయువులు, ద్రవాలు మరియు ఇతర పదార్థాలు కార్బన్ ఫైబర్ యొక్క నిర్దిష్ట ప్రభావాలు, గుణాలు మరియు గ్రేడ్‌లను సృష్టిస్తాయి. కార్బన్ ఫైబర్ తయారీదారులు వారు ఉత్పత్తి చేసే పదార్థాల కోసం యాజమాన్య సూత్రాలు మరియు ముడి పదార్థాల కలయికలను ఉపయోగిస్తారు మరియు సాధారణంగా, వారు ఈ నిర్దిష్ట సూత్రీకరణలను వాణిజ్య రహస్యాలుగా పరిగణిస్తారు.

అత్యంత ప్రభావవంతమైన మాడ్యులస్‌తో కూడిన అత్యధిక గ్రేడ్ కార్బన్ ఫైబర్ (ఒక పదార్ధం ఒక నిర్దిష్ట లక్షణాన్ని కలిగి ఉండే సంఖ్యాపరమైన స్థాయిని వ్యక్తీకరించడానికి ఉపయోగించే స్థిరమైన లేదా గుణకం, స్థితిస్థాపకత వంటిది) లక్షణాలు ఏరోస్పేస్ వంటి డిమాండ్ చేసే అనువర్తనాల్లో ఉపయోగించబడతాయి.

తయారీ విధానం
కార్బన్ ఫైబర్ సృష్టించడం రసాయన మరియు యాంత్రిక ప్రక్రియలను కలిగి ఉంటుంది. పూర్వగాములుగా పిలవబడే ముడి పదార్థాలు, పొడవాటి తంతువులలోకి లాగబడతాయి మరియు వాయురహిత (ఆక్సిజన్-రహిత) వాతావరణంలో అధిక ఉష్ణోగ్రతలకు వేడి చేయబడతాయి. మండే బదులు, విపరీతమైన వేడి వల్ల ఫైబర్ అణువులు చాలా హింసాత్మకంగా కంపిస్తాయి, దాదాపు అన్ని కార్బన్-యేతర అణువులు బహిష్కరించబడతాయి.

కార్బొనైజేషన్ ప్రక్రియ పూర్తయిన తర్వాత, మిగిలిన ఫైబర్ పొడవాటి, గట్టిగా ఇంటర్‌లాక్ చేయబడిన కార్బన్ పరమాణువు గొలుసులతో రూపొందించబడింది, కొన్ని లేదా కార్బన్ యేతర అణువులు మిగిలి ఉండవు. ఈ ఫైబర్‌లు తదనంతరం ఫాబ్రిక్‌లో అల్లినవి లేదా ఇతర పదార్థాలతో కలిపి తంతు గాయం లేదా కావలసిన ఆకారాలు మరియు పరిమాణాలలో అచ్చు వేయబడతాయి.

కార్బన్ ఫైబర్ తయారీకి PAN ప్రక్రియలో క్రింది ఐదు విభాగాలు విలక్షణమైనవి:

• స్పిన్నింగ్. PAN ఇతర పదార్ధాలతో మిళితం చేయబడుతుంది మరియు ఫైబర్‌లుగా మార్చబడుతుంది, తర్వాత వాటిని కడిగి పొడిగిస్తారు.
• స్థిరీకరించడం. బంధాన్ని స్థిరీకరించడానికి ఫైబర్స్ రసాయన మార్పులకు లోనవుతాయి.
• కర్బనీకరణం. స్థిరీకరించబడిన ఫైబర్‌లు చాలా ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు వేడి చేయబడి గట్టి బంధిత కార్బన్ స్ఫటికాలను ఏర్పరుస్తాయి.
• ఉపరితల చికిత్స. బంధన లక్షణాలను మెరుగుపరచడానికి ఫైబర్స్ యొక్క ఉపరితలం ఆక్సీకరణం చెందుతుంది.
• సైజింగ్. ఫైబర్‌లను పూత పూసి, బాబిన్‌లపై గాయపరుస్తారు, ఇవి స్పిన్నింగ్ మెషీన్‌లపైకి లోడ్ చేయబడతాయి, ఇవి ఫైబర్‌లను వేర్వేరు పరిమాణాల నూలులుగా మారుస్తాయి. బట్టలలో అల్లడం కంటే, ఫైబర్‌లను ప్లాస్టిక్ పాలిమర్‌తో కలిపి ఫైబర్‌లను బంధించడానికి వేడి, పీడనం లేదా వాక్యూమ్‌ని ఉపయోగించి మిశ్రమ పదార్థాలుగా కూడా ఏర్పడవచ్చు.

కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు ప్రామాణిక కార్బన్ ఫైబర్‌ల కంటే భిన్నమైన ప్రక్రియ ద్వారా తయారు చేయబడతాయి. నానోట్యూబ్‌లు వాటి పూర్వగాముల కంటే 20 రెట్లు బలంగా ఉన్నాయని అంచనా వేయబడింది, కార్బన్ కణాలను ఆవిరి చేయడానికి లేజర్‌లను ఉపయోగించే ఫర్నేస్‌లలో నానోట్యూబ్‌లు నకిలీ చేయబడతాయి.

తయారీ సవాళ్లు
కార్బన్ ఫైబర్స్ తయారీ అనేక సవాళ్లను కలిగి ఉంటుంది, వాటిలో:

• మరింత ఖర్చుతో కూడుకున్న రికవరీ మరియు మరమ్మత్తు అవసరం
• కొన్ని అనువర్తనాల కోసం నిలకడలేని తయారీ ఖర్చులు: ఉదాహరణకు, కొత్త సాంకేతికత అభివృద్ధిలో ఉన్నప్పటికీ, నిషేధిత ఖర్చుల కారణంగా, ఆటోమొబైల్ పరిశ్రమలో కార్బన్ ఫైబర్ వాడకం ప్రస్తుతం అధిక పనితీరు మరియు విలాసవంతమైన వాహనాలకే పరిమితం చేయబడింది.
• లోపభూయిష్ట ఫైబర్‌లకు దారితీసే గుంటలను సృష్టించకుండా ఉండటానికి ఉపరితల చికిత్స ప్రక్రియను జాగ్రత్తగా నియంత్రించాలి.
• స్థిరమైన నాణ్యతను నిర్ధారించడానికి దగ్గరి నియంత్రణ అవసరం
• చర్మం మరియు శ్వాస చికాకుతో సహా ఆరోగ్యం మరియు భద్రతా సమస్యలు
• కార్బన్ ఫైబర్స్ యొక్క బలమైన ఎలక్ట్రో-కండక్టివిటీ కారణంగా ఎలక్ట్రికల్ పరికరాలలో ఆర్సింగ్ మరియు షార్ట్స్

కార్బన్ ఫైబర్ యొక్క భవిష్యత్తు
కార్బన్ ఫైబర్ సాంకేతికత అభివృద్ధి చెందుతూనే ఉన్నందున, కార్బన్ ఫైబర్ యొక్క అవకాశాలు వైవిధ్యభరితంగా మరియు పెరుగుతాయి. మసాచుసెట్స్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీలో, కార్బన్ ఫైబర్‌పై దృష్టి సారించే అనేక అధ్యయనాలు కొత్త ఉత్పాదక సాంకేతికతను మరియు అభివృద్ధి చెందుతున్న పరిశ్రమ డిమాండ్‌ను తీర్చడానికి డిజైన్‌ను రూపొందించడానికి ఇప్పటికే గొప్ప వాగ్దానాన్ని చూపుతున్నాయి.

MIT అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్ ఆఫ్ మెకానికల్ ఇంజినీరింగ్ జాన్ హార్ట్, నానోట్యూబ్ మార్గదర్శకుడు, కమర్షియల్-గ్రేడ్ 3D ప్రింటర్‌లతో కలిపి ఉపయోగించాల్సిన కొత్త మెటీరియల్స్‌తో సహా తయారీకి సాంకేతికతను మార్చడానికి తన విద్యార్థులతో కలిసి పని చేస్తున్నారు. “నేను వారిని పూర్తిగా పట్టాల నుండి ఆలోచించమని అడిగాను; వారు ఇంతకు ముందెన్నడూ తయారు చేయని 3-D ప్రింటర్‌ను లేదా ప్రస్తుత ప్రింటర్‌లను ఉపయోగించి ప్రింట్ చేయలేని ఉపయోగకరమైన మెటీరియల్‌ను పొందగలిగితే,” హార్ట్ వివరించాడు.

ఫలితాలు కరిగిన గాజు, సాఫ్ట్ సర్వ్ ఐస్ క్రీం-మరియు కార్బన్ ఫైబర్ మిశ్రమాలను ముద్రించే నమూనా యంత్రాలు. హార్ట్ ప్రకారం, విద్యార్థి బృందాలు "పాలీమర్‌ల యొక్క పెద్ద-ప్రాంత సమాంతర ఎక్స్‌ట్రాషన్"ను నిర్వహించగల మరియు ప్రింటింగ్ ప్రక్రియ యొక్క "ఇన్ సిటు ఆప్టికల్ స్కానింగ్" నిర్వహించగల యంత్రాలను కూడా సృష్టించాయి.

అదనంగా, హార్ట్ MIT అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్ ఆఫ్ కెమిస్ట్రీ మిర్సియా డింకాతో కలిసి ఇటీవల ఆటోమొబిలి లంబోర్ఘినితో మూడు సంవత్సరాల సహకారంతో కొత్త కార్బన్ ఫైబర్ మరియు కాంపోజిట్ మెటీరియల్‌ల యొక్క అవకాశాలను పరిశోధించడానికి పనిచేశాడు. బ్యాటరీ సిస్టమ్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది, అయితే "తేలికైన, బలమైన శరీరాలు, మరింత సమర్థవంతమైన ఉత్ప్రేరక కన్వర్టర్‌లు, సన్నగా ఉండే పెయింట్ మరియు మెరుగైన పవర్-ట్రైన్ ఉష్ణ బదిలీ [మొత్తం]."

హోరిజోన్‌లో ఇటువంటి అద్భుతమైన పురోగతులతో, కార్బన్ ఫైబర్ మార్కెట్ 2019లో $4.7 బిలియన్ల నుండి 2029 నాటికి $13.3 బిలియన్లకు పెరుగుతుందని అంచనా వేయబడటంలో ఆశ్చర్యం లేదు, సమ్మేళనం వార్షిక వృద్ధి రేటు (CAGR) 11.0% (లేదా కొంచెం ఎక్కువ). అదే కాలం.

మూలాలు

• మక్కన్నేల్, విక్కీ. "ది మేకింగ్ ఆఫ్ కార్బన్ ఫైబర్." కాంపోజిట్ వరల్డ్. డిసెంబర్ 19, 2008
• షెర్మాన్, డాన్. "బియాండ్ కార్బన్ ఫైబర్: తదుపరి పురోగతి మెటీరియల్ 20 రెట్లు బలంగా ఉంది." కారు మరియు డ్రైవర్. మార్చి 18, 2015
• రాండాల్, డేనియల్. "MIT పరిశోధకులు లంబోర్ఘినితో కలిసి భవిష్యత్తులో ఎలక్ట్రిక్ కారును అభివృద్ధి చేస్తారు." MITMECHE/ఇన్ ది న్యూస్: డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ కెమిస్ట్రీ. నవంబర్ 16, 2017
• “రా మెటీరియల్ (PAN, పిచ్, రేయాన్), ఫైబర్ రకం (వర్జిన్, రీసైకిల్), ఉత్పత్తి రకం, మాడ్యులస్, అప్లికేషన్ (మిశ్రమ, నాన్-కాంపోజిట్), ఎండ్-యూజ్ ఇండస్ట్రీ (A & D, ఆటోమోటివ్, విండ్ ఎనర్జీ ద్వారా కార్బన్ ఫైబర్ మార్కెట్ ), మరియు ప్రాంతం—2029కి ప్రపంచ సూచన.” మార్కెట్లు మరియు మార్కెట్లు™. సెప్టెంబర్ 2019