Koolstofvezels zijn sterker en lichter dan staal, en composietmaterialen op basis van koolstofvezelversterkte polymeren worden gebruikt in een steeds groter wordende reeks van lucht- en ruimtevaart, auto, en andere toepassingen, waaronder grote delen van het Boeing 787-vliegtuig. Het wordt algemeen aangenomen, Bovendien, dat koolstofvezeltechnologie het potentieel heeft om composieten te produceren die minstens 10 keer sterker zijn dan de huidige.

Een onderzoeksteam van het Georgia Institute of Technology heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die een nieuwe mijlpaal vormt voor de sterkte en modulus van koolstofvezels. Deze alternatieve benadering is gebaseerd op een innovatieve techniek voor het spinnen van polyacrylonitril (PAN), een organische polymeerhars die wordt gebruikt om koolstofvezels te maken.

Het werk maakt deel uit van een vierjarige $ 9,8 miljoen project gesponsord door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) om de sterkte van koolstofvezelmaterialen te verbeteren. Het onderzoek werd onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Koolstof .

"Door een gel-spintechniek te gebruiken om polyacrylonitrilcopolymeer te verwerken tot koolstofvezels, we hebben koolstofvezels van de volgende generatie ontwikkeld die een combinatie van sterkte en modulus vertonen die niet eerder werd gezien met de conventionele oplossingsgesponnen methode, " zei Satish Kumar, een professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering die het project leidt. "In aanvulling, ons werk laat zien dat de gel-spinning-aanpak een pad biedt voor nog grotere verbeteringen."

Kumar legde uit dat trekmodulus - een maat voor stijfheid - verwijst naar de kracht die nodig is om een ​​materiaal met een bepaalde hoeveelheid uit te rekken. Treksterkte geeft aan hoeveel kracht er nodig is om het materiaal daadwerkelijk te breken.

Bij gelspinnen, de oplossing wordt eerst omgezet in een gel; deze techniek bindt polymeerketens aan elkaar en produceert robuuste krachten tussen ketens die de treksterkte verhogen. Gelspinnen verhoogt ook de directionele oriëntatie van vezels, wat ook de kracht vergroot. Daarentegen, bij conventioneel oplossingspinnen, een proces dat meer dan 60 jaar geleden is ontwikkeld, PAN-copolymeeroplossing wordt direct omgezet in een vaste vezel zonder de tussenliggende geltoestand en produceert minder robuust materiaal.

De door het team van Kumar geproduceerde gel-gesponnen koolstofvezel werd getest bij 5,5 tot 5,8 gigapascal (GPa) - een maat voor de ultieme treksterkte - en had een trekmodulus in het bereik van 354-375 GPa. Het materiaal werd geproduceerd op een continue carbonisatielijn bij Georgia Tech die werd gebouwd voor dit DARPA-project.

"Dit is de hoogste combinatie van sterkte en modulus voor elke continue vezel die tot nu toe is gerapporteerd, ' zei Kumar. 'En bij een korte spoorlengte, vezeltreksterkte werd gemeten zo hoog als 12,1 GPa, dat is de hoogste treksterkte die ooit is gerapporteerd voor een op PAN gebaseerde koolstofvezel."

Bovendien, Kumar merkte op, de interne structuur van deze gel-gesponnen koolstofvezels gemeten op nanoschaal vertoonde minder onvolkomenheden dan state-of-the-art commerciële koolstofvezels, zoals IM7. specifiek, de gel-gesponnen vezels vertonen een lagere mate van verstrengeling van polymeerketens dan die geproduceerd door oplossingspinnen. Dit kleinere aantal verstrikkingen is het gevolg van het feit dat bij gelspinnen lagere concentraties polymeer worden gebruikt dan bij methodes voor het spinnen in oplossing.

Kumar en zijn team zetten de gel-gesponnen polymeermix om in koolstofvezels via een selectief behandelingsproces genaamd pyrolyse, waarbij het gesponnen polymeer geleidelijk wordt onderworpen aan zowel warmte als strekken. Deze techniek elimineert grote hoeveelheden waterstof, zuurstof, en stikstof uit het polymeer, waardoor voornamelijk sterkteverhogende koolstof overblijft.

"Het is belangrijk om te onthouden dat de huidige prestaties van oplossingsgesponnen PAN-gebaseerde koolstofvezels zijn bereikt na vele jaren van materiaal- en procesoptimalisatie - maar er zijn tot nu toe zeer beperkte materiaal- en procesoptimalisatiestudies uitgevoerd op de gel-gesponnen PAN vezel, " zei Kumar. "In de toekomst, wij geloven dat materialen en procesoptimalisatie, verbeterde vezelcirculariteit, en verhoogde homogeniteit van de oplossing zal de sterkte en modulus van de gel-spinmethode verder vergroten."