Co je uhlíkové vlákno? Co dělá tento „hvězdný materiál“ tak dobrým?

Když jde o uhlíkové vlákno, možná jste o něm slyšeli ve zprávách – novinky - raketové šípy, trupy vysokorychlostních vlaků, drony, karoserie závodních automobilů a dokonce i náročné rakety na štěstí mají jeho stopu. Tato zdánlivě „černá technologie“ plná materiálů, co to vlastně je? Dnes slovy běžné řeči vás seznámíme se „hvězdou materiálového světa“.

Uhlíková vlákna, v podstatě „supertence z uhlíku“

Jednoduše řečeno, uhlíková vlákna jsou anorganická polymerová vlákna obsahující až 90 % nebo více uhlíku. Nejedná se ani o kov, ani o plast, ale o „krystal uhlíku“ – černé vlákno vytvořené speciálním procesem karbonizace organických vláken (např. polyakrylonitrilu nebo asfaltu) při vysokých teplotách za účelem odstranění nečistot.

Vzhled: průměr pouhých 5–10 mikronů (asi 1/10 tloušťky lidského vlasu), pouhým okem vypadá jako černý bavlněný provázek nebo vlna, ale hmatem je „tužší“ než ocelový drát.

Vlastnosti: „Lehký, pevný, odolný, stabilní“.

(1) Pevnost je 7–9krát vyšší než u oceli, houževnatost je mnohem vyšší než u skleněných vláken;
(2) Hustota pouze 1,7 g/cm³, lehčí než hliník (hustota hliníku 2,7 g/cm³)
(3) odolnost proti vysokým teplotám (nespustí se nad 2000 ℃), odolnost proti korozi (nezáleží na kyselinách a zásadách), nevodivost (po speciálním ošetření může být vodivý).

Výkon „zapnuto/vypnuto“: směšně lehký a překvapivě tvrdý

Velikost uhlíkových vláken je zcela „zajištěna“ třemi klíčovými výhodami:

（1）Lehký jako peří, ale silnější než ocel：

Hustota je pouze 1,7–2,0 g/cm³ (1/4 oceli, 2/3 hliníkové slitiny), ale mez pevnosti v tahu dosahuje 3000–7000 MPa (více než 10násobek oceli) a lano z uhlíkových vláken silné jako prst dokáže zvednout několik tun těžká auta.

（2）Tuhost jako exploze, stabilní jako skála:

Modul pružnosti (míra tuhosti) dosahuje 200–600 GPa, téměř nedochází k deformaci při působení síly, při použití jako nosná konstrukce satelitu může ve vesmíru udržet přesnou polohu.

（3）„Odolnost proti poškození“ plně aktivována:

Odolnost proti vysokým teplotám (v inertním prostředí až do 2000 ℃), odolnost vůči kyselinám a zásadám (v oceánu desítky let bez koroze), odolnost proti únavě (opakované zatížení nezpůsobí snadné zlomení), před čímž musí každý kov "uznat porážku".

Proč je uhlíkové vlákno „strategickým materiálem národní úrovně“?

Výroba uhlíkových vláken je mimořádně obtížná a pouze několik zemí na světě dokáže hromadně vyrábět vysoce kvalitní uhlíková vlákna (hlavně Čína, Japonsko a Spojené státy). Nejenže je „základním kamenem“ pokročilého průmyslu, ale také souvisí s klíčovými oblastmi jako letecký a kosmický průmysl a obranná bezpečnost.

Například ve vojenském průmyslu lze uhlíková vlákna použít na výrobu trupu stealth stíhaček (pohlcující vlny), těla raket (zlehčení pro zvýšení doletu); v oblasti nových energetických zdrojů platí, že čím delší je lopatka větrné turbíny, tím vyšší je účinnost výroby elektřiny, a pouze uhlíková vlákna dokážou podpořit stoimetrové obří lopatky.
V posledních letech dosáhl čínský průmysl uhlíkových vláken rychlého průlomu, když přešel od závislosti na dovozu k samostatné hromadné výrobě a dokonce získal dominantní postavení na globálním trhu v některých oblastech (např. ve větrné energii, sportovním vybavení).

Jak se uhlíková vlákna „vyrábí“?

Velikost uhlíkových vláken je zcela „zajištěna“ třemi klíčovými výhodami:

（1）Příprava primárního filamentu

Polyakrylonitril (PAN), dehty a další suroviny se pomocí procesu spunování přemění na „surový hedvábí“ (podobné chemickému vláknu). Tento krok je základem a kvalita surového hedvábí přímo určuje výkon uhlíkových vláken (Čína byla dlouhou dobu v tomto kroku „zablokována“).

（2）Karbonizace

Surové hedvábí se postupně zahřívá na teplotu 1 000–3 000 °C ve vznětlivém plynu (aby nedošlo k hoření), čímž se odstraní prvky jako vodík a kyslík a zůstávají pouze uhlíkové molekuly. Po tomto kroku stoupá obsah uhlíku ve vláknu z 50 % na více než 90 %, čímž se výrazně zvyšuje jeho pevnost a tvrdost.

（3）Následná úprava

Podle toho na aplikace , uhlíková vlákna jsou tkaná do látek, navíjena do trubek nebo kombinována s pryskyřicemi, kovy atd. za vzniku „kompozitů z uhlíkových vláken“ (například to, co často označujeme jako „uhlíkové desky“ a „uhlíkové trubky“).

【Chladná fakta o uhlíku】

Q: Proč je to černé?
A: Grafické struktury pohlcují téměř veškeré viditelné světlo.

Q: Obáváte se ohně?
A: Oxidace začíná při 400 °C ve vzduchu, ale kapsle ji používá jako tepelný štít.

Q: Je možné ji recyklovat?
A: BMW umožnilo recyklaci automobilových dílů z odpadního uhlíkového vlákna.