Semua Tentang Serat Karbon dan Cara Pembuatannya

Juga disebut serat grafit atau karbon grafit, Fiber Karbon terdiri dari untaian elemen karbon yang sangat tipis. Serat-serat ini memiliki kekuatan tarik tinggi dan sangat kuat untuk ukurannya. Bahkan, satu bentuk serat karbon — the nanotube karbon—Adalah bahan terkuat yang tersedia. Fiber Karbon aplikasi termasuk konstruksi, teknik, dirgantara, kendaraan berkinerja tinggi, peralatan olahraga, dan alat musik. Di bidang energi, serat karbon digunakan dalam produksi bilah kincir angin, penyimpanan gas alam, dan sel bahan bakar untuk transportasi. Dalam industri pesawat terbang, ia memiliki aplikasi dalam pesawat militer dan komersial, serta kendaraan udara tak berawak. Untuk eksplorasi minyak, ini digunakan dalam pembuatan anjungan pengeboran dalam dan pipa.

Fakta Cepat: Statistik Serat Karbon

Serat karbon terbuat dari polimer organik, yang terdiri dari rangkaian panjang molekul yang disatukan oleh atom karbon. Sebagian besar serat karbon (sekitar 90%) terbuat dari proses polyacrylonitrile (PAN). Sejumlah kecil (sekitar 10%) diproduksi dari rayon atau proses pitch minyak bumi.

Gas, cairan, dan bahan lain yang digunakan dalam proses pembuatan menciptakan efek, kualitas, dan kualitas serat karbon tertentu. Produsen serat karbon menggunakan formula eksklusif dan kombinasi bahan baku untuk bahan yang mereka hasilkan dan secara umum, mereka memperlakukan formulasi khusus ini sebagai rahasia dagang.

Serat karbon kelas tertinggi dengan modulus paling efisien (konstanta atau koefisien yang digunakan untuk menyatakan tingkat numeriknya) dimana suatu zat memiliki sifat tertentu, seperti elastisitas) sifat digunakan dalam aplikasi yang menuntut seperti luar angkasa.

Menciptakan serat karbon melibatkan proses kimia dan mekanik. Bahan baku, yang dikenal sebagai prekursor, ditarik ke dalam untaian panjang dan kemudian dipanaskan hingga suhu tinggi di lingkungan anaerob (bebas oksigen). Alih-alih terbakar, panas ekstrem menyebabkan atom-atom serat bergetar dengan sangat hebat sehingga hampir semua atom non-karbon dikeluarkan.

Setelah proses karbonisasi selesai, serat yang tersisa terdiri dari rantai atom karbon yang panjang dan saling terkait dengan sedikit atau tidak ada atom non-karbon yang tersisa. Serat-serat ini kemudian ditenun menjadi kain atau digabungkan dengan bahan-bahan lain yang kemudian dibuat filamen luka atau dibentuk menjadi bentuk dan ukuran yang diinginkan.

Lima segmen berikut khas dalam proses PAN untuk pembuatan serat karbon:

1. Pemintalan. PAN dicampur dengan bahan lain dan dipintal menjadi serat, yang kemudian dicuci dan diregangkan.
2. Stabilisasi. Serat mengalami perubahan kimia untuk menstabilkan ikatan.
3. Karbonisasi. Serat yang distabilkan dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi membentuk kristal karbon yang terikat erat.
4. Mengobati Permukaan. Permukaan serat dioksidasi untuk meningkatkan sifat ikatan.
5. Perekat. Serat dilapisi dan digulung pada kumparan, yang dimuat ke mesin pemintalan yang memintal serat menjadi benang dengan ukuran berbeda. Daripada menjadi ditenun menjadi kain, serat juga bisa dibentuk menjadi gabungan bahan, menggunakan panas, tekanan, atau ruang hampa untuk mengikat serat bersama dengan polimer plastik.

Karbon nanotube diproduksi melalui proses yang berbeda dari serat karbon standar. Diperkirakan 20 kali lebih kuat dari prekursor mereka, nanotube ditempa di tungku yang menggunakan laser untuk menguapkan partikel karbon.

Pembuatan serat karbon membawa sejumlah tantangan, termasuk:

• Kebutuhan akan pemulihan dan perbaikan yang lebih hemat biaya
• Biaya produksi tidak berkelanjutan untuk beberapa aplikasi: Misalnya, meskipun teknologi baru sedang dikembangkan, karena biaya penghalang, penggunaan serat karbon dalam industri mobil saat ini terbatas pada kinerja tinggi dan mewah kendaraan.
• Proses perawatan permukaan harus diatur dengan hati-hati untuk menghindari membuat lubang yang menghasilkan serat yang rusak.
• Kontrol ketat diperlukan untuk memastikan kualitas yang konsisten
• Masalah kesehatan dan keselamatan termasuk iritasi kulit dan pernapasan
• Arcing dan celana pendek dalam peralatan listrik karena elektro-konduktivitas serat karbon yang kuat

Sebagai teknologi serat karbon terus berkembang, kemungkinan serat karbon hanya akan beragam dan meningkat. Di Massachusetts Institute of Technology, beberapa penelitian yang berfokus pada serat karbon sudah menunjukkan banyak janji untuk menciptakan teknologi dan desain manufaktur baru untuk memenuhi industri yang sedang berkembang permintaan.

Associate Professor MIT Teknik Mesin John Hart, seorang pelopor nanotube, telah bekerja dengan murid-muridnya untuk berubah teknologi untuk pembuatan, termasuk melihat bahan baru yang akan digunakan bersama dengan printer 3D kelas komersial. "Saya meminta mereka untuk berpikir sepenuhnya dari rel; jika mereka bisa membayangkan printer 3-D yang belum pernah dibuat sebelumnya atau bahan berguna yang tidak dapat dicetak menggunakan printer saat ini, "jelas Hart.

Hasilnya adalah mesin prototipe yang mencetak gelas cair, es krim lembut — dan komposit serat karbon. Menurut Hart, tim mahasiswa juga menciptakan mesin yang dapat menangani "ekstrusi paralel paralel area besar" dan melakukan "pemindaian optik in situ" dari proses pencetakan.

Selain itu, Hart bekerja dengan Associate Professor of Chemistry Mircea Dinca pada kolaborasi tiga tahun yang baru-baru ini disimpulkan dengan Automobili Lamborghini untuk menyelidiki kemungkinan serat karbon baru dan bahan komposit yang mungkin suatu hari nanti tidak hanya "memungkinkan seluruh tubuh mobil untuk digunakan sebagai sistem baterai, "tetapi mengarah pada" bodi yang lebih ringan, lebih kuat, konverter katalitik yang lebih efisien, cat yang lebih tipis, dan peningkatan perpindahan panas power-train [keseluruhan]. "

Dengan terobosan menakjubkan di cakrawala, tidak heran jika pasar serat karbon diproyeksikan akan tumbuh dari $ 4,7 miliar pada tahun 2019 menjadi $ 13,3 miliar pada tahun 2029, dengan laju pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 11,0% (atau sedikit lebih tinggi) selama periode yang sama waktu.

• McConnell, Vicki. "Pembuatan Serat Karbon." CompositeWorld. 19 Desember 2008
• Sherman, Don. "Melampaui Serat Karbon: Bahan Terobosan Selanjutnya Adalah 20 Kali Lebih Kuat." Mobil dan Pengemudi. 18 Maret 2015
• Randall, Danielle. “Peneliti MIT berkolaborasi dengan Lamborghini untuk mengembangkan mobil listrik masa depan. " MITMECHE / Dalam Berita: Departemen Kimia. 16 November 2017
• "Pasar Serat Karbon dengan Bahan Baku (PAN, Pitch, Rayon), Jenis Serat (Perawan, Daur Ulang), Jenis Produk, Modulus, Aplikasi (Komposit, Non-komposit), Industri Penggunaan Akhir (A & D, Otomotif, Energi Angin), dan Wilayah — Prakiraan Global hingga 2029. " MarketsandMarkets ™. September 2019