Uglerod tolalari(muqobil ravishda CF, grafit tolasi) diametri taxminan 5 dan 10 mikrometrgacha boʻlgan va asosan uglerod atomlaridan tashkil topgan tolalardir^[1]. Uglerod tolalari bir nechta afzalliklarga ega: yuqori qattiqlik, yuqori kuchlanishga chidamlilik, yuqori quvvatga nisbatan ogʻirlik nisbati, yuqori kimyoviy qarshilik, yuqori haroratga chidamlilik va past termal kengayish^[2]. Bu xususiyatlar uglerod tolasini aerokosmik, qurilish muhandisligi, harbiy, motorsport va boshqa musobaqalarda juda mashhur qildi. Biroq, ular shisha tolasi, bazalt tolasi yoki plastmassa tolasi kabi shunga oʻxshash tolalarga nisbatan qimmat^[3].

Uglerod tolasini ishlab chiqarish uchun uglerod atomlari tolaning uzun oʻqiga parallel ravishda koʻproq yoki kamroq tekislangan kristallarda bir-biriga bogʻlanadi. Bir necha ming uglerod tolasi oʻz-oʻzidan ishlatilishi yoki matoga toʻqilishi mumkin boʻlgan tirgak hosil qilish uchun birlashtiriladi.

Uglerod tolalari, odatda, kompozit hosil qilish uchun boshqa materiallar bilan birlashtiriladi. Misol uchun, plastik qatronlar bilan singdirilganda va pishirilganda, u uglerod tolasi bilan mustahkamlangan polimerni (koʻpincha uglerod tolasi deb ataladi) hosil qiladi, bu juda yuqori kuch va ogʻirlik nisbatiga ega va biroz moʻrt boʻlsa-da, juda qattiq. Uglerod tolalari, shuningdek, juda yuqori issiqlik bardoshliligiga ega boʻlgan mustahkamlangan uglerod-uglerod kompozitlarini hosil qilish uchun boshqa materiallar, masalan, grafit bilan birlashtiriladi.

Tarix

1860-yilda Jozef Swan birinchi marta lampochkalarda foydalanish uchun uglerod tolalarini ishlab chiqardi^[4]. 1879-yilda Thomas Edison yuqori haroratda paxta iplari yoki bambuk boʻlaklarini pishirib, ularni elektr toki bilan isitiladigan birinchi choʻgʻlanma lampochkalardan birida ishlatiladigan toʻliq uglerodli tolali filamentga aylantirdi^[5]. 1880-yilda Lyuis Latimer elektr toki bilan isitiladigan choʻgʻlanma lampochka uchun ishonchli uglerod simli filamentini ishlab chiqdi^[6].

1958-yilda Rojer Bekon Klivlend(Ogayo shtati) tashqarisida joylashgan Union Carbide Parma texnik markazida yuqori samarali uglerod tolalarini yaratdi. Bu tolalar tuman iplarini karbonlashguncha qizdirish orqali ishlab chiqarilgan. Bu jarayon samarasiz boʻlib chiqdi, chunki hosil boʻlgan tolalar atigi 20% ga yaqin uglerodni oʻz ichiga olgan. 1960-yillarning boshlarida Yaponiya sanoat fanlari va texnologiyalari agentligida doktor Akio Shindo tomonidan poliakrilonitrildan foydalangan holda jarayon ishlab chiqilgan. Bu taxminan 55% uglerodni oʻz ichiga olgan uglerod tolasini ishlab chiqardi. 1960-yilda HI Thompson Fiberglas uglerod atomlaridan foydalangan holda yuqori uglerodli (99%) tola ishlab chiqarish jarayonini (AQSh Patenti № 3,294,489) ishlab chiqdi. Ushbu uglerod tolalari ogʻirlikka chidamliligi yuqori boʻlgan kompozitlar va yuqori haroratga chidamli ilovalar uchun mustahkamlovchi sifatida foydalanish uchun yetarli kuchga ega edi.

Uglerod tolasining yuqori potentsial quvvati 1963-yilda V. Vatt, LN Fillips va V. Jonson tomonidan Farnboro, Xempshirdagi Qirollik samolyotlar korxonasida ishlab chiqilgan jarayonda amalga oshirildi. Jarayon Buyuk Britaniya Mudofaa vazirligi tomonidan patentlangan, soʻngra Britaniya Milliy tadqiqotlarni rivojlantirish korporatsiyasi tomonidan uchta kompaniyaga Rolls-Royce, Morganit va Courtauldsga litsenziyalangan. 1968-yilda Rolls-Royce Conway reaktiv dvigatellarida Vickers VC10ning Hyfil uglerod tolali ventilyator majmuasi muvaffaqiyatli qoʻllanilgandan soʻng, Rolls-Royce yangi materialning xususiyatlaridan foydalanib, uglerod tolali kompressor parraklari boʻlgan RB-211 aero-motori bilan Amerika bozoriga kirdi^[7]. Afsuski, parraklar qushlar taʼsiridan zarar koʻrishga moyil boʻlib chiqdi. Ushbu muammo va boshqalar Rolls-Roycening muvaffaqiyatsizliklariga sabab boʻldi, kompaniya 1971-yilda milliylashtirildi va uglerod tolasi ishlab chiqarish zavodi Bristol Composite Materials Engineering Ltd tashkil etish uchun sotildi.

1960-yillarning oxirida yaponlar PAN asosidagi uglerod tolalarini ishlab chiqarishda yetakchilik qildilar. 1970-yildagi qoʻshma texnologiya shartnomasi Union Carbide kompaniyasiga Yaponiyaning Toray Industries mahsulotini ishlab chiqarish imkonini berdi. Morganite uglerod tolasini ishlab chiqarish oʻzining asosiy biznesining chekka qismi ekanligiga qaror qildi va Courtauldsni Buyuk Britaniyadagi yagona yirik ishlab chiqaruvchi sifatida qoldirdi. Courtellening suvga asoslangan noorganik jarayoni mahsulotni boshqa uglerod tolasi ishlab chiqaruvchilari tomonidan qoʻllanadigan organik jarayonga taʼsir qilmaydigan aralashmalarga sezgir qildi, bu esa Courtauldsning 1991-yilda uglerod tolasi ishlab chiqarishni toʻxtatishiga olib keldi.

1960-yillarda muqobil xomashyoni topish boʻyicha eksperimental ishlar, neftni qayta ishlash natijasida olingan neft qatronidan tayyorlangan uglerod tolalarini joriy etishga olib keldi. Ushbu tolalar taxminan 85% uglerodni oʻz ichiga olgan va mukammal egilish kuchiga ega edi. Bundan tashqari, ushbu davrda Yaponiya hukumati uglerod tolasi rivojlanishini qattiq qoʻllab-quvvatladi va Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon va Mitsubishi kabi bir qancha yapon kompaniyalari oʻzlarining ishlab chiqarishlarini yoʻlga qoʻyishdi. 1970-yillarning oxiridan boshlab, uglerod tolasining boshqa turlari jahon bozoriga kirib, yuqori kuchlanish va yuqori elastik modulni taklif qildi. Masalan, 4000 MPa kuchlanish kuchiga ega Toraydan T400va M40, moduli 400 GPa. 6000 MPa gacha quvvatga ega Toho Rayondan IM 600 kabi oraliq uglerod tolalari ishlab chiqildi. Toray, Celanese va Akzoning uglerod tolalari aerokosmik qoʻllash yoʻlini ikkilamchi qismlardan birlamchi qismlarga birinchi navbatda harbiy, keyinroq fuqarolik samolyotlarida, masalan McDonnell Duglas, Boeing, Airbus va United Aircraft Corporation samolyotlarida ishlata boshladi. 1988-yilda doktor Jeykob Lahijani avtomobil va aerokosmik ilovalarda keng qoʻllanadigan muvozanatli ultra-yuqori Young modulini (100 Mpsi dan katta) va yuqori kuchlanishga chidamli pitch uglerod tolasini (500 kpsi dan ortiq) ixtiro qildi. 2006-yil mart oyida patent Tennessi universiteti tadqiqot fondiga topshirildi^[8].

Tuzilishi va xususiyatlari

Uglerod tolasi koʻpincha gʻaltakga oʻralgan shaklida yetkazib beriladi. Gʻaltak bir-biriga bogʻlangan va polietilen oksidi (PEO) yoki polivinil spirti (PVA) kabi organik qoplama yoki oʻlcham bilan himoyalangan minglab doimiy individual uglerod filamentlari toʻplamidir. Foydalanish uchun gʻaltakdan qulay tarzda yechilishi mumkin. Yelkadagi har bir uglerod filamenti 5-10 mikrometr diametrli doimiy silindr boʻlib, deyarli faqat ugleroddan iborat. Eng birinchi avlod (masalan, T300, HTA va AS4) diametri 16–22 mikrometrga teng boʻladi. Keyingi tolalar (masalan, IM6 yoki IM600) taxminan 5 mikrometrga teng diametrga ega.

Uglerod tolasining atom tuzilishi grafitnikiga oʻxshaydi, u muntazam olti burchakli shaklda joylashgan uglerod atomlari varaqlaridan iborat (grafen varaqlari), farq bu varaqlarning bir-biriga bogʻlanishidadir. Grafit – bu kristalli material boʻlib, unda qatlamlar muntazam ravishda bir-biriga parallel ravishda joylashtiriladi. Plitalar orasidagi molekulalararo kuchlar nisbatan zaif Van der Waals kuchlari boʻlib, grafitga yumshoq va moʻrt xususiyatlarini beradi.

Poliakrilonitrildan (PAN) olingan uglerod tolalari turbostratik, mezofaza pitchidan olingan uglerod tolalari esa 2200 °C dan yuqori haroratlarda issiqlik bilan ishlov berishdan keyin grafit hisoblanadi. Turbostratik uglerod tolalari yuqori choʻzilish kuchiga ega boʻlsa, issiqlik bilan ishlov berilgan mezofaza-pitchdan olingan uglerod tolalari yuqori Young moduliga (yaʼni, yuqori qattiqlik yoki yuk ostida kengayish qarshiligiga) va yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligiga ega.

Ishlatilishi

2012-yilda uglerod tolasi bozoriga taxminiy global talab 1,7 milliard dollarni tashkil etdi va 2012-yildan 2018-yilgacha yillik oʻsish 10–12 foizni tashkil etdi^[9]. Uglerod tolasiga eng kuchli talab samolyotlar va aerokosmik, shamol energiyasi, shuningdek, avtomobilsozlikdan kelib chiqadi.

Uglerod tolasi qabul qilishning cheklovchi omillaridan biri boʻlgan boshqa materiallarga qaraganda qimmatroq boʻlishi mumkin. Avtomobil materiallari uchun poʻlat va uglerod tolasi materiallarini taqqoslaganda, uglerod tolasi 10-12 baravar qimmatroq boʻlishi mumkin. Biroq, bu xarajat mukofoti soʻnggi oʻn yil ichida 2000-yillarning boshidagi poʻlatdan 35 baravar qimmatroq boʻlgan hisob-kitoblarga qaraganda pasayib ketdi^[10].

Kompozit materiallar

Uglerod tolasi, ayniqsa, kompozit materiallarni, xususan, uglerod tolasi yoki grafit bilan mustahkamlangan polimerlar sifatida tanilgan. Asosan materiallar sinfini mustahkamlash uchun ishlatiladi. Polimer boʻlmagan materiallar ham uglerod tolalari uchun matritsa sifatida ishlatilishi mumkin. Metall karbidlarning shakllanishi va korroziyani hisobga olgan holda, uglerod metall matritsali kompozit ilovalarda cheklangan muvaffaqiyatga erishdi. Kuchaytirilgan uglerod-uglerod (RCC) uglerod tolasi bilan mustahkamlangan grafitdan iborat va yuqori haroratli joylarda tizimli ravishda qoʻllanadi. Elyaf, shuningdek, yuqori haroratli gazlarni filtrlashda, yuqori sirt maydoni va benuqson elektrod sifatida ishlatiladi. Korroziyaga chidamliligi va antistatik komponent sifatida. Uglerod tolalarining yupqa qatlamini qoliplash polimerlar yoki termoset kompozitlarning yongʻinga chidamliligini sezilarli darajada yaxshilaydi, chunki uglerod tolalarining zich, ixcham qatlami issiqlikni samarali aks ettiradi^[11].

Galvanik korroziya bilan bogʻliq muammolar tufayli uglerod tolali kompozitsiyalardan tobora koʻproq foydalanish alyuminiyni aerokosmik dasturlardan boshqa metallar foydasiga almashtirmoqda^[12]^[13].

Uglerod tolasi elektr oʻtkazuvchan asfalt-beton qilish uchun asfaltga qoʻshimcha sifatida ishlatilishi mumkin^[14]. Ushbu kompozit materialdan transport infratuzilmasida, ayniqsa aeroport qoplamasida foydalanish, muz va qor mavjudligi sababli parvozning bekor qilinishi yoki kechikishiga olib keladigan qishki texnik xizmat koʻrsatish muammolarini kamaytiradi. Uglerod tolalarining 3D tarmogʻi kompozit materiali orqali oqimni oʻtkazib, uning ustidagi muz va qorni eritishga qodir boʻlgan asfalt sirt haroratini oshiradigan issiqlik energiyasini tarqatadi^[15].

Mikroelektrodlar

Uglerod tolalari uglerod tolali mikroelektrodlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Ushbu dasturda odatda diametri 5-7 mkm boʻlgan bitta uglerod tolasi shisha kapillyarda muhrlanadi. Uchida kapillyar epoksi bilan yopiladi va uglerod tolali disk mikroelektrodini yaratish uchun sayqallanadi yoki uglerod tolali silindrli elektrod qilish uchun tola 75–150 mkm uzunlikda kesiladi. Uglerod tolali mikroelektrodlar biokimyoviy signalizatsiyani aniqlash uchun amperometriyada yoki tez skanerlangan tsiklik voltametriyada qoʻllanadi.

Moslashuvchan isitish

Elektr oʻtkazuvchanligi bilan mashhur boʻlishiga qaramay, uglerod tolalari oʻz-oʻzidan faqat juda past oqimlarni oʻtkazishi mumkin. Kattaroq matolarga toʻqilganda, ular moslashuvchan elektr isitish elementlarini talab qiladigan ilovalarda (infraqizil) isitishni ishonchli taʼminlash uchun ishlatilishi mumkin va 100 °C dan yuqori haroratni osongina ushlab turishi mumkin. Ushbu turdagi ilovalarning koʻplab misollarini oʻz qoʻllaringiz bilan isitiladigan kiyim va adyol buyumlarida koʻrish mumkin. Kimyoviy inertligi tufayli u koʻpgina mato va materiallar orasida nisbatan xavfsiz ishlatilishi mumkin, biroq, materialning oʻz-oʻzidan buklanishi natijasida paydo boʻlgan kaltalar issiqlik ishlab chiqarishning oshishiga olib keladi va yongʻinga olib kelishi mumkin.

Sintez

Har bir uglerod filamenti poliakrilonitril(PAN), rayon yoki neft qatlami kabi polimerdan ishlab chiqariladi. Bu polimerlarning barchasi prekursor sifatida tanilgan. PAN yoki rayon kabi sintetik polimerlar uchun prekursor birinchi navbatda toʻldirilgan uglerod tolasining yakuniy jismoniy xususiyatlarini yaxshilash uchun polimer molekulalarini tekislash uchun kimyoviy va mexanik jarayonlardan foydalangan holda birinchi navbatda filament iplariga aylantiriladi. Filament iplarini yigirish jarayonida ishlatiladigan prekursor kompozitsiyalari va mexanik jarayonlar ishlab chiqaruvchilarga qarab farq qilishi mumkin. Chizilgan yoki yigirilgandan soʻng, polimer filament iplari uglerod boʻlmagan atomlarni chiqarish uchun isitiladi. Uglerod tolali filament iplari ishlov berish sifatini yaxshilash uchun qoʻshimcha ishlov berilishi mumkin, soʻngra bobinlarga oʻraladi^[16].

Ishlab chiqarishning keng tarqalgan usuli yigirilgan PAN filamentlarini havoda taxminan 300 °C gacha qizdirishni oʻz ichiga oladi, bu esa koʻplab vodorod aloqalarini buzadi va materialni oksidlaydi. Keyin oksidlangan PAN argon kabi gazning inert atmosferasiga ega boʻlgan pechga joylashtiriladi va taxminan 2000 °C ga qadar qizdiriladi, bu materialning grafitlanishiga olib keladi va molekulyar bogʻlanish tuzilishini oʻzgartiradi. Toʻgʻri sharoitda qizdirilganda, bu zanjirlar yonma-yon (narvon polimerlari) bogʻlanib, tor grafen varaqlarini hosil qiladi, ular oxir-oqibat bitta ustunli filamentni hosil qilish uchun birlashadi. Natija odatda 93-95% ugleroddir. Past sifatli tolalar pitch yoki rayon yordamida ishlab chiqarilishi mumkin PAN oʻrniga prekursor sifatida. Uglerod issiqlik bilan ishlov berish jarayonida yuqori modulli yoki yuqori quvvatli uglerod sifatida yanada yaxshilanishi mumkin. 1500–2000 °C (karbonizatsiya) oraligʻida isitiladigan uglerod eng yuqori choʻzilish kuchiga ega (5,650 MPa), 2500 dan 3000 °C gacha qizdirilgan (grafitizatsiya) uglerod tolasi esa yuqori elastiklik modulini (531 GPa) namoyon qiladi.

Manbalar

↑ „Metalmatritsali kompozitlarni elektromagnit himoya qilish“ISBN 978-0-12-819731-8
↑ Uglerod tolalari: ishlab chiqarish, xossalari va potentsial qidiruv
↑ ISSN 2536-3948 https://www.sv-jme.eu/?ns_articles_pdf=/ns_articles/files/ojs/43/submission/copyedit/43-130-1-CE.pdf&id=2847
↑ Karbon tolali elektron aloqalar
↑ „Yuqori samarali uglerod tolalari“
↑ „Edison uchun ishlagan iqtidorli odamlar“
↑ „Stand nuqtalari“
↑ US 4915926Lahijani, Jacob, „Muvozanatlangan ultra yuqori modulli va yuqori darajaga toʻgʻri keladi uglerodlar“, 1990-04-10 chop etilgan
↑ „Global uglerod tolali kompozitlar ishlab chiqarish zanjiri asoslanganbardoshligi tahlili“
↑ „Uglerod tolasini ommaviy qabul qilishdan saqlaydigan narx – Plastmassa yangiliklari“Atlanta: Crain Communications, Inc. Asl
↑ „Uglerodli nanotolalar bilan oʻzgartirilgan termosetlarning yaxshilangan yongʻinga yaratilishi“Bibcode 2009STAdM..10a5005Z 10.1088/1468-6996/10/1/015005
↑ „Korozyonga qarshi dizayn“
↑ „Metallik ishlab chiqarish yutuqlari bilan qaytib keladi“
↑ Notani, Muhammad Ali; Arabzoda, Ali; Jeylan, Halil; Kim, Sungvan (2019-yil iyun). „Uglerod-tolali xususiyatlarning elektr oʻtkazuvchan asfalt-betonning hajmlari va ohmik isitilishiga taʼsiri“. Qurilish muhandisligi boʻyicha materiallar jurnali. BIZ. 31 (9): 04019200. doi : 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002868. S2CID 198395022.
↑ „Elektr oʻtkazuvchan asfalt-beton: transport infratuzilmasini qishki taʼmirlash ishlarini avtomatlashtirish uchun muqobil“
↑ „"Uglerod tolasi qanday ishlab chiqariladi?"“. 2015-yil 19-martda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 2022-yil 19-iyun.

[1] „Metalmatritsali kompozitlarni elektromagnit himoya qilish“ISBN 978-0-12-819731-8

[2] Uglerod tolalari: ishlab chiqarish, xossalari va potentsial qidiruv

[3] ISSN 2536-3948 https://www.sv-jme.eu/?ns_articles_pdf=/ns_articles/files/ojs/43/submission/copyedit/43-130-1-CE.pdf&id=2847

[4] Karbon tolali elektron aloqalar

[5] „Yuqori samarali uglerod tolalari“

[6] „Edison uchun ishlagan iqtidorli odamlar“

[7] „Stand nuqtalari“

[8] US 4915926Lahijani, Jacob, „Muvozanatlangan ultra yuqori modulli va yuqori darajaga toʻgʻri keladi uglerodlar“, 1990-04-10 chop etilgan

[9] „Global uglerod tolali kompozitlar ishlab chiqarish zanjiri asoslanganbardoshligi tahlili“

[10] „Uglerod tolasini ommaviy qabul qilishdan saqlaydigan narx – Plastmassa yangiliklari“Atlanta: Crain Communications, Inc. Asl

[11] „Uglerodli nanotolalar bilan oʻzgartirilgan termosetlarning yaxshilangan yongʻinga yaratilishi“Bibcode 2009STAdM..10a5005Z 10.1088/1468-6996/10/1/015005

[12] „Korozyonga qarshi dizayn“

[13] „Metallik ishlab chiqarish yutuqlari bilan qaytib keladi“

[14] Notani, Muhammad Ali; Arabzoda, Ali; Jeylan, Halil; Kim, Sungvan (2019-yil iyun). „Uglerod-tolali xususiyatlarning elektr oʻtkazuvchan asfalt-betonning hajmlari va ohmik isitilishiga taʼsiri“. Qurilish muhandisligi boʻyicha materiallar jurnali. BIZ. 31 (9): 04019200. doi : 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002868. S2CID 198395022.

[15] „Elektr oʻtkazuvchan asfalt-beton: transport infratuzilmasini qishki taʼmirlash ishlarini avtomatlashtirish uchun muqobil“

[16] „"Uglerod tolasi qanday ishlab chiqariladi?"“. 2015-yil 19-martda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 2022-yil 19-iyun.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]