Süsinikkiuga tugevdatud polümeerid

Allikas: Vikipeedia
Süsinikkiuga tugevdatud polümeerist valmistatud plaat.

Süsinikkiuga tugevdatud polümeer, süsinikkiud sarrustatud plastist või süsinikkiust tugevdatud termoplastist (CFRP, CRP, CFRTP või sageli lihtsalt süsinikkiud või isegi süsinik) on väga tugev ja kerge kiududega tugevdatud polümeer, mis sisaldab süsinikkiudu.

Siduv polümeer on sageli termokõvastunud vaik nagu epoksüül, kuid mõnikord kasutatakse ka muid termokõvastunud või termoplastilisi polümeere nagu polüester, vinüülester või nailon.  

Komposiit võib sisaldada muid kiude, näiteks aramiid, Kevlar, Twaron, alumiinium või klaaskiud, samuti ka süsinikkiud. Lõpliku süsinikplastist toote omadusi võib olla mõjutatud siduvas maatriksis (vaigus).  

erinevate lisanditüüpide kasutamisega. Kõige sagedamini kasutatavaks lisaaineks on räni, kuid kasutatakse ka muid lisandeid, näiteks kumm ja süsiniknanotorud (CNT). CFRP-d kasutatakse tavaliselt transporditööstuses, autode, paatide ja rongide valmistamisel, samuti sporditarvete tööstuses jalgrataste ning nende komponentide, golfi seadmete ja õngeritvade valmistamisel.

Kuigi süsinikkiu kasutamine on suhteliselt kallis, leiab materjal suurt rakendamist kosmoserakendustes ja autotööstuses (vormelautod), valdkondades kus on vajalik kõrge tugevuse-kaalu suhe ja jäikus (purjelaevade ja sõudepaatide kestad, tipptaseme jalgrattad ja mootorrattad). Väiksemate tarbekaupade puhul, mis nõuavad kergust ja jäikust nagu sülearvuti korpused, statiivi jalad, telgipostid, õngeridvad, hokikepid, kaitsekiivrid jne on muutumas üha tavalisemaks tehnika parandamine ja kulude vähendamine.

Materjali on nimetatud ka grafiit-tugevdatud polümeeriks või grafiidi kiududega tugevdatud polümeeriks (GFRP on vähem levinud, sest see on vastuolus klaaskiuga tugevdatud polümeeriga). Toodete reklaamimisel kasutatakse mõnikord lihtsalt lühemat terminit “grafiitkiud”.

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiust tugevdatud polümeerid on komposiitmaterjalid, kus komposiit koosneb kahest osast: maatriksist ja tugevdusest. Süsinikplastiosade puhul on tugevduseks süsinikkiud, mis annab materjalile juurde vastupidavust. Maatriksiks kasutatakse tavaliselt tugevduste sidumiseks polümeeri vaiku, näiteks epoksüüd.[1] Kuna süsinikplastosad koosnevad kahest erinevast komponendist, sõltuvad materjali omadused selle kahe komponendi kasutamise vahekorrast.

Tugevdamine annab süsinikplastisele tugevuse ja jäikuse, mida mõõdetakse vastavalt koormus- (mehaanika) ja elastsusmooduliga. Erinevalt isotroopsetele materjalidele nagu teras või alumiinium, on süsinikplastosadel suunalise tugevuse omadused. Süsinikplastosade omadused sõltuvad süsinikkiu paigutusest ja koguse vahekorrast võrrelduna polümeeriga.[2]

Vaatamata oma kõrgele tugevuse-kaalu suhtele, piirab süsinikplastosade disaini selle määratletava väsimus- ja kulumispiiri puudumine. See tähendab, et koormustsükli rikkeid ei saa välistada. Kuigi teras ja paljud muud struktuursed metallid ja sulamid omavad hinnatavat väsimus- ja vastupidavuspiiri, tähendab komposiitmaterjalide tõrkeliikide kogumid, et süsinikplastosade väsimuspurunemis omadusi on raske ennustada ja disainida. Süsinikplastosade kasutamisel kriitilistes korduvate koormustega rakendustes on vajalik kavandada inseneridel märkimisväärset jõu ohutusvaru, et saavutada komponendi tööeale sobiv töökindlusemäär.

Tootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikplastosade peamine osa on kiudained. Nendest kiududest on loodud ühesuunaline leht. Lehed paigutuvad üksteise järel kvaas-isotroopse kihina, 0°, +60° või −60° suhtega. Alates baaskiududest luuakse kahesuunaline lausriidelehe kudum. Süsinikkiududega tugevdatud polümeeri tootmisprotsessid erinevad valmistatava materjali hulga, vajaliku viimistluse ja konkreetse materjali võimalikus tootmismahu poolest. Lisaks omab lõppkomposiidi omadustes tugevat mõju materjali põhiaine valik.

Paljud süsinikkiuga tugevdatud polümeeride osad on loodud ühtsest süsinikkanga kihist, mis on toetatud klaaskiuga. Komposiitosade kiireks loomiseks kasutatakse tööriista nimega “chopper gun”. Kui süsinikkiust on loodud õhuke kest, lõikab chopper gun klaaskiust lühikesed rullid ja pihustab neid samal ajal vaiguga, nii et klaaskiud ja vaik segatakse koheselt lõikamise käigus. Vaiku kasutatakse kas välise mikstuurina, mille korral tugevdaja ja vaik pihustatakse klaaskiule eraldi, või sisemise seguna, mis nõuab pärast igat kasutuskorda puhastamist. Tootmise meetodid võivad hõlmata vormimist, vaakumpakendamist, survestatud vormimist või niitmähkimist.

Vormimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiu tootmisel kasutatav emane vorm.

Võrreldes kõiki komposiitmaterjalide poolt pakutavaid eeliseid ja omadusi, peetakse kõige populaarsemaks võimet vormida materjalist keeruka kujuga esemeid. Kui vajalikku kujuga osa on vaja toota mitmeid kordi, on kõige tõhusam ehitada selleks vorm, millega saavutatakse täiusliku kujuga valmistatud osa, mis hiljem vajab vähem järeltöötlust.[3]

Vormimisel kasutatakse kahte tüüpi vorme: emaseid (süvendiga) ja isaseid (kumerusega). Vähem aeganõudev ning odavam meetod on kasutada isaseid vorme. Kumerusega vormid jäljendavad toodetava osa lõplikku välispinna kuju. Sellist vormi on küll kiirem ja odavam ehitada, kuid valmistatud osad omavad karmi välispinna struktuuri ja seega nõuavad töömahukamat järelviimistlust.

Emaste vormide tootmine on üldiselt kallim, kuid pakuvad esemete keskmise ja suure tootlikkuse puhul teatud eeliseid. Vormitud esemete järelviimistlusele kulub vähem aega, sest toodetava osa välispind jääb ühtlaselt sile ning ei nõua enam hilisemat viimistlemist.

Kahe erinevat tüüpi vormi kombineerimisel saavutatakse vormid, mida nimetatakse survestatud vormideks. Survestatud vormid on suurepärased täppisosade tootmisel, sest omavad mõlemal küljel siledat pinda ning vajavad seega vähem järelviimistlust. Konkreetset tüüpi vormid on kohandatud põhiliselt kasutamiseks koos vaigu infusiooniga või vaigu süstiga.

Vormimise meetodi abil toodetakse grafiit-epoksüü osasid, mille käigus süsinikkiust kanga lehed paigutatakse kihtidena valmiva toote kujuga vormi. Saadava materjali tugevuse ja jäikuse määramiseks valitakse kangakiudude joondumine ja kudumi tüüp. Seejärel täidetakse vorm epoksüüga ja kuumutatakse õhu käes. Saadud osa on omadustelt väga korrosioonikindel, jäik ja tugev. Osade korral, mida kasutatakse vähem kriitilistel aladel, laotatakse üle vormi eelnevalt epoksüüga immutatud või “üle värvitud” riie. Suure jõudlusega osade puhul kasutatakse üksikvorme, mis on sageli vaakumpakendites või autoklaaviga konserveeritud, sest isegi väikesed õhuosakesed materjali sees vähendavad selle tugevust. Alternatiiviks autoklaavmeetodile kasutatakse kuivatamata süsinikkiu sees sisemise rõhu kaudu täispuhutavaid põisi või EPS-vahtu.

Vormimist on kasutatud juba aastaid mitmete metallitoodete (auto kereosad, kodumasinad, tööstusseadmed) kujundamisel ja tootmisel.

Vaakumpakendamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaakumpakendamine on meetod, mille käigus luuakse osad komposiitmaterjali mehaanilise survestamise teel. Komposiidi survestamisel on mitmeid häid funktsioone. See eemaldab kihtide vahel olevad võimalikud õhumolekulid, tihendab jõuülekandega kiu kihtisid, vähendab niiskust materjalis ja optimeerib komposiidi kiu ja vaigu omavahelist suhet. Sellised omadused on võimaldanud aastaid kosmose- ja autotööstuses maksimeerida täiustatud komposiitmaterjalide (süsinik, aramiid, epoksiid) füüsikalisi omadusi.

Vaakumpakendamist saab kasutada kui lihtsast tükist on vaja luua suhteliselt vähe koopiaid (1–2 koopiat päevas). Klaaskiud, süsinikkiud või alumiiniumist vorm poleeritakse ja vahatatakse ning kohaldatakse enne riide ja vaigu rakendamist antiadhesioonivahendiga ning tõmmatakse tüki kuivatamiseks (kõvendamiseks) vaakumisse. Vaakumvormis riide vaiguga katmiseks on kaks meetodit.

Manuaalse meetodi või nn märja talletuse korral segatakse kaheosaline vaik ja kantakse vormile enne selle kotti panemist. Teise võimalusena kasutatakse infusiooni, mille tulemusel tõmmatakse vaakumiga vaik läbi väikese toru kotti ning kantakse kotis asuva aukudega toru abil ühtlaselt vormi sisse paigutatud kangale. Torukangastus töötab suurepäraselt toru korral, millesse on vaigu ühtlaseks materjalile kandmiseks tehtud väikesed augud. Mõlemad vaigu pealekandmisviisid nõuavad manuaalset sekkumist, et kanda vaik väikeste aukude abil ühtlaselt läikivale pealispinnale.

Teise meetodina kasutatakse kuiva talletust. Selle meetodi puhul on süsinikkiust materjal juba eelnevalt vaiguga immutatud ja paigutatakse vormi sarnaselt kleepuvale kilele. Seejärel asetatakse kogu komplekt vaakumisse kuivama. Kuiv talletusmeetod omab väiksemat vaigu kadu ja suudab saavutada kergemat konstruktsiooni kui märg talletus. Kuna märja talletuse korral on suuremas koguses vaiku raskem kangale kanda, on eelnevalt vaiguga immutatud osadel üldiselt väiksemad augud. Pisiavade kõrvaldamine minimaalsete vaigu koguste korral nõuab jääkgaaside välja surumiseks üldjuhul autoklaavi survet.

Komposiitmaterjalide järjest suureneva kasutamise peamiseks põhjuseks on materjali tugevuse ja kaalu efektiivne suhe. Seda saavutatakse aga kiu ja vaigu suhte maksimeerimisega. Tugevdatud klaaskiud, aramiid, Kevlar või süsinik pole tugeva tekstiili mõistes aga piisavalt heade omadustega. Selle üheks põhjuseks on materjalis esinevate termokõvenevate vaikude nagu polüester ja epoksiid esinemine, mis ilma tugevdamiseta ja liigses koguses muudavad materjali rabedaks. Vaakumpakendamise eesmärgiks on “pigistada” materjalist liigne vaik välja ning saavutada efektiivne kiu ja vaigu suhe.

Tüüpiliselt moodustub üle 100% kanga kaalust vaik. Lennukitööstuses kasutatavate komposiitmaterjalide puhul on materjalis sisalduva vaigu osakaaluks 40%. Täiuslikku ja täpset kiu ja vaigu kombinatsiooni pole suudetud veel välja töötada, kuid seni on arvatud selleks olevat 60%.[4]

Survestatud vormimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kiirem meetod on kasutada survestatud vormimist. See kasutab kaheosalist (isane ja emane) vormi, mis on tavaliselt valmistatud klaaskiust või alumiiniumist ja kinnitatud omavahel poltidega ning mille vahele paigutatakse kangas ja vaik. See on kasulik, sest pärast seda, kui vorm on poltidega kinni keeratud, püsib see puhtana ning vormi saab liigutada või hoida väljaspool vaakumit kuni materjali tardumiseni. Vormid peavad aga sellise rõhu all olemise korral suutma hoida koos palju materjali.

Niitmähkimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Niitmähkimisel kasutatavad süsinikkiu niidid.

Silindrilise struktuuriga osade valmistamisel saab kasutada niitmähkimist, kerides süsinikkiu niidid ümber kuju mida nimetatakse südamikuks. Sellist protsessi kasutatakse tavaliselt ümmarguste seest õõnsate liittoodete loomisel. Südamiku pöörlemisel liigub liugur horisontaalselt edasi tagasi, kehtestades oma liikumisega kiudude soovitud mustri. Kui südamik on täielikult kaetud ja materjal omab soovitud paksust, paigutatakse materjal ahju tahkuma. Kui vaik on kõvenenud, eemaldatakse südamik ning tulemuseks on seest õõnes lõpptoode.

Niitmähkimisel võib soovitud omadustega komponendi saavutamiseks kuluda suurel hulgal erinevaid kiude ja vaiku. Protsess on väga efektiivne odava, kerge ja tugeva komposiitmaterjali loomiseks.

Niitmähkimise peamiseks eeliseks on kaal. Kuna tooted on seest õõnsad ning neid ei saa valmistada ilma püsiva sisemise süsteemita, on suur tõenäosus kaotada materjali tugevuses. Kergemaid osasid on aga lihtsam toota, transportida ning turustada. Kasutades toodete projekteerimisel erinevaid mähkimistehnikaid, tahkestamisvõimalusi ja materjali valikuid, võimaldab see muuta materjali paindlikkust, tugevust ja survestatust.[5]

Niitmähkimise protsesse kasutatakse laialdaselt kohandatud õõnsusstruktuuriga komposiitide tootmisel, saavutamaks ainulaadse paindlikkusega ja tugevusega  materjale. Sellist lähenemist võib kohata näiteks golfikeppide, jalgrattaosade, purjepaatide mastide ja mitmete muude seest õõnsate osade valmistamisel.

Rakendamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõrgjõudlusega polümeerid annavad valgust valdkondades, mis vajavad stabiilseid materjale, mis oleksid vastupidavad kõrgetele temperatuuridele. Süsinikplastosade rakendusvaldkonnad on järgmised:

Lennukitööstus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Airbus A350 ehitamisel on kasutatud 53% süsinikkiust osasid.

Airbus A350 ehitamisel on kasutatud 53% süsiniku komposiitmaterjale[6], sealhulgas tiivad ja kere osad, Boeing 787 Dreamliner puhul 50% [7].

Spetsialiseeritud õhusõiduki disainer ja tootja Scaled Composites on kasutanud ulatuslikult kogu nende disaini vahemikus süsinikplastosasid, sealhulgas esimese erasektori kosmoselaevas One.

Süsinikplastosasid kasutatakse laialdaselt mikroõhusõidukites (Mavs) oma kõrge tugevuse ja kaalu suhte tõttu. Süsinikplastosad vähendavad oluliselt MAV kaalu ja süsinikust labade kõrge jäikus aitab lahendada kokkupõrkeid tugeva tuule korral.

Ülikergelennuk (SSDR) nagu E-Go, sõltuvad suuresti süsinikkiu kasutamisest, et täita kategooria kaalu täitmise nõudeid (lennuki kaal alla 115 kg, ilma piloodi või kütuseta).

Autotööstus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiuga tugevdatud polümeere kasutatakse laialdaselt tippklassi motospordis.[8] Materjali kõrget hinda leevendab selle suurepärane tugevuse ja kaalu suhe ning masina väike kaal on võidusõidus väga tähtis. Võidusõidu autode tootjad on välja töötanud ka meetodeid, et anda süsinikkiule teatud suunas lisatugevust, muutes materjali kandvates suundades tugevamaks ning nõrgemaks suundades, kus koormus on väiksem. Seevastu on tootjate poolt väljatöötatud isotroopne süsinikkiu kudum, mis lisab tugevust kõigis suundades. Seda tüüpi süsinikkiu komplekti kasutatakse turvalisuse tõstmiseks kõige rohkem suure jõudlusega võidusõidu autodes.

Viimastel aastakümnetel on superautode tootmisel hakatud üha ulatuslikumalt kasutama süsinikkiudu, kasutades seda eelkõige autokerede ja muude komponentide valmistamisel.

Süsinikkiu kerguse ja tugevuse tõttu kasutatakse materjali laialdaselt sportautode valmistamisel.

Autotööstuse rakendustes kasutatakse esteetilistel põhjustel valatud vinüüli, mis parandab ka soojuse- ja kulumiskindlust. Enamik valatud vinüül materjale nagu  3M DiNoc (kasutatakse sisetöödeks) ja Si-1000 3D (kasutatakse välitingimustes) omavad õige paigutuse korral vähemalt 10 aastast eluiga.

Autode masstoodangulisel valmistamisel on hakatud materjali kulu arvelt selle kasutamist piirama, sest viimasel ajal on paljud autode põhitootjad hakanud süsinikkiust osasid kasutama ka tavaliste tänavasõiduautode valmistamisel.

Materjali kasutamine on kergemini vastuvõetav väikeses koguses tootjatele, kes kasutavad süsinikkomposiite tänu selle suuremale tugevusele ja kergemale kaalule võrreldes klaasiga tugevdatud polümeerile peamiselt tippklassi autode keredetailide valmistamiseks.

Süsinikkiu kasutamisega saab vähendada märgatavalt sõiduki kaalu ja seega ka raami suurust. See hõlbustab ka disainerite ja inseneride loovust ning võimaldab luua kujundeid, kõverdaid ja servasid, mis oleks metalli kasutamisel võimatu. Näiteks uue V10 mootoriga Lexus LFA superauto korral moodustavad 65% LFA keha kompositsiooni massist komposiitmaterjalid [7]. Uue BMW i3 valmistamisel on kasutatud süsinikkiudu mitte ainult eesmärgiga vähendada auto kaalu, vaid ka auto valmistamiseks kuluva vee ja elektrienergia kogust.[9]

Tsiviiltööstus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiust tugevdatud polümeerid (CFRP) on muutunud ehitustehnilistes rakendustes märkimisväärselt populaarseks materjaliks. Materjali ehituse täiustamisel on tegeletud pidevalt akadeemilise tööga, et tuua välja materjali võimalikke eeliseid. Selle kasutamine on muutunud tasuvaks mitmete ehituslike materjalide, nagu betoon, müüritis, teras, malm ja puit, tugevdamisel. Tööstuses kasutatakse süsinikkiust tugevdatud polümeere olemasoleva aine struktuuri tugevdamisel või uue materjali loomisel ja tugevdamisel.

Tsiviilehituses on muutunud üha enam domineerivaks materjali moderniseerimine. Vanade struktuuride (näiteks sillad) puhul, mis olid varem mõeldud taluma palju madalamaid koormusi, kasutatakse kahjustatud objektide parandamisel rohkem tänapäevasemaid materjale. Moderniseerimine on populaarne juhtudel, kui puuduliku struktuuri asendamine oleks kokkuvõtlikult kulukam kui olemasoleva parandamine ja tugevdamine.[10]

Suurema jäikuse eesmärgil kasutatakse süsinikust tugevdatud polümeere raudbetoonkonstruktsioonides, kus süsinikkiul on suur mõju konstruktsiooni tugevusele, kuid arvestatav on kuni 10% jäikuse kasv. Seda seetõttu, et materjalid, milles tugevdust kasutatakse on tavaliselt küll tugevad (tõmbetugevuse kuni 3000 MPa, mis on 10 korda rohkem kui madala süsinikterase korral), kuid mitte väga jäigad (150–250 GPa, veidi vähem kui tavaline teras).

Süsinikust polümeere kasutatakse ka raudbetooni nihketugevuse suurendamiseks ümbritsedes tugevdust vajav osa süsinikangaga või kiudainega. Näiteks silla või hoone sammaste ümbritsemine kiudainega suurendab samba nõtkust ja vastupidavust maavärinatele. Selline “seismiline moderniseerimine” on võrreldes alternatiivsete meetoditega palju ökonoomsem ning kasutatakse valdavalt maavärinaohtlikes piirkondades ehitusobjektide tugevdamisel.

Malmist talade tugevdamisel on ülikõrge süsiniku sisaldusega polümeeride (kus tõmbetugevus on 420 GPa või rohkem) kasutamine üpris haruldane. Tüüpilisel kasutamisel on see seotud sektsiooni ääriku tõmbetugevusega. Suurendades sektsiooni jäikust ja alandades neutraalset telge vähendatakse oluliselt malmi tõmbekoormust.

Terase asemel süsinikkomposiitide kasutamine betoonkonstruktsioonide tugevdamisel oleks küll võimalik, kuid see pole eriti levinud.

Süsinikkiudu võib kasutada oma suure tugevuse tõttu kui eelpingutusmaterjalina. Eelisteks terase ees on kerge kaal ja vastupidavus korrosioonile, mis peaks võimaldama materjali kasutamist eelkõige avamere keskkonnas. Siiski esineb sellises kasutamises praktilisi probleeme ning sellepärast leidub selliseid rakendusi harva.

Ameerika Ühendriikides kasutatakse betoonist eelpingestatud silindertorusid (PCCP) vee edastussüsteemide magistraaltorudes. Oma suure läbimõõdu tõttu põhjustavad aga PCCP torude kahjustused katastroofilisi olukordi ning kaasavad õnnetustesse suurt hulka elanikkonda. Vahemikus 1940 – 2006 on paigaldatud umbes 30500 km (19000 miili) PCCP torusid. Peamiseks PCCP torude järkjärgulise halvenemise põhjuseks on veest tingitud korrosioon. Viimase kümne aasta jooksul on PCCP sisemuses hakatud kasutama süsinikuga tugevdatud polümeere, mille tulemuseks on täistugevdusega struktuurse süsteemi kasutamine. PCCP toru sees olev süsinikplastise kiht töötab kui barjäär, mis reguleerib vastuvõtvas torus terassilindrile langevat pinget. Komposiitmaterjali kihi abil tagatakse terassilindri elastsusvahemiku täituvus ning tagatakse sellega torujuhtme pikaajalisem vastupidavus. Süsinikpolümeeri kihi disain põhineb toru vooderdise ja vastuvõtva toru pinge kokkusobivuses.[11]

Süsinikkiududega tugevdatud polümeerid on võrreldes alternatiivsete materjalidega, nagu klaaskiudpolümeerid (GFRP) ja aramiid kiududega tugevdatud polümeerid (AFRP), kulukam, kuid üldiselt tänu parematele omadustele hinnatum.

Jätkuvalt tehakse mitmeid uuringuid selleks, kuidas oleks võimalik moderniseerimisel efektiivsemalt kasutada alternatiivina terasele tugevdatud ja eelpingestatud süsinikkiulise tugevdusega polümeere. Endiselt on peamiseks probleemiks materjali kulukus ja vastupidavus. Kuigi materjali disain on koostatud tõsiselt võetava institutsiooni, American Concrete Institute, poolt, leidub inseneride seas siiski veel kõhklusi alternatiivsete materjalide rakendamise alal. Osalt on selle põhjuseks turul olevate kiu ja vaigu kombinatsioonide vähene standardiseeritus ja omandiõiguste puudumine.

Süsinikkiust mikroelektroodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiudusid kasutatakse ka mikroelektroodide valmistamisel. Sellistel juhtudel kasutatakse tavaliselt ühekordseid süsinikkiudusid läbimõõduga 5-7 μm, mis on paigutatud suletud klaaskapillaaridesse. Kapillaaride tipud lihvitakse ja pitseeritakse. Süsinikkiust ketasmikroelektroodi valmistamiseks kasutatakse 5-7 μm pikkust kapillaari, 75-150 μm pikkusega kiust valmistatakse aga silinderelektroode.[12] Süsinikkiududest valmistatud mikroelektroode kasutatakse näiteks biokeemiliste signaalide avastamiseks ampermeetrites või kiire tsüklilise skaneerimisega voltmeetrites.

Sporditarbed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiuga tugevdatud polümeerid on leidnud kasutust ka spordivahendites nagu võidusõidujalgrattad, tennisereketid, aerud jne. Kasutuse põhjuseks on materjali tugevus ja kaal, sest näiteks süsinikkiust jalgratta raam kaalub tunduvalt vähem kui terasest, alumiiniumist või titaanist raam. Süsinikkiu kudumi valikul jälgitakse eelkõige maksimaalset saavutatavat jäikust ning vähest kahjustuste osakaalu. Erinevaid toru profiile kasutades on võimalik suurendada jäikust ja aerodünaamilisi omadusi. Keskmise ja kõrgema hinnaga jalgrataste seas muutub üha tavalisemaks süsinikkiust valmistatud rattaraamide, kahvlite, juhtraudade, sadulapostide ja väntade kasutamine.

Süsinikkiust valmistatud profijalgratas.

Kuigi süsinikkiududest rattaraamid ja -osad on kergemad ja tugevamad kui tavalistest metallidest valmistatud, on mõnedel asjaoludel täheldatud märkimisväärset lõhenemise ja kahjustuste määra.[13][14] Sellised asjaolud võivad olla tingitud kokkupõrgetest.  Komponentide ülepingutamine või vale paigaldus võivad samuti põhjustada osade purunemist või kahjustumist.[15] Purunenud süsinikosasid on siiski võimalik ka parandada.[16]

Süsinikkomposiite kasutatakse mitmete erinevate sporditarvete (reketid, õngeridvad, rulad, sõudepaadid) tootmisel. Professionaalses hokiliigas NHL kasutatakse enamik mängijate poolt süsinikkiust hokikeppe, teivashüppe teibad on samuti valmistatud süsinikkiust. Tuntud mitmekordne paraolümpialane Oscar Pistorius kasutab jooksmisel süsinikkiust valmistatud vetruvaid proteese.Süsinikgrafiit vardaid kasutatakse sporttuulelohede raamide ja kvaliteetsete vibulaskmisnoolte valmistamisel. Tippklassi korvpallijalatsite tootjad kasutavad mõnede mudelite puhul labajala stabiilsuse ja parema püsivuse eesmärgil jalasääre plaatides süsinikkiudu.

2006. aastal tutvustas üks kriketikurikate tootjafirma süsinikkiududest kihiga vääristatud kurikaid, mida kasutasid suurtel võistlustel sellised tippklassi mängijad nagu Ricky Ponting ja Michael Hussey. Süsinikkiud võeti kasutusele eesmärgiga suurendada nahkhiirte vastupidavust, kuid nende kasutamine keelati ICC poolt kõikides 2007. aastal toimuvates kõrgliiga mängudes.[17] 

Muud rakendusvaldkonnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiust Viktoria kitarr.

Süsinikkiud on leidnud oma jäikuse tõttu kasutust ka heliseadmete komponentide (nt plaadimängijad ja valjuhääldid) ehitamisel.

Materjali kasutatakse kui eebenipuu asendajana erinevates muusikariistades (viiuli poognad, torupilli torud). Süsinikkiust on loodud ka terveid muusikariistu nagu näiteks Viktoria kitarrid, Luis’ ja Clarki tšello ning Mix’ süsinikkiust mandoliinid.

Tulirelvade puhul kasutatakse süsinikkiudu eelkõige üldise kaalu vähendamiseks asendades metallist, puust ja klaaskiust osasid. Kuigi mitmeid väliseid relvaosasid on võimalik valmistada sünteetilistest materjalidest, ei sobi need relva sisemiste metallist osade asendamiseks.

Süsinikkiust osasid kasutatakse raadiosignaalide abil kontrollitavate sõidukite standardvarustuses või siis järelturu osades. Näiteks paljude raadiosignaalide teel juhitavate helikopterite tootmisel kasutatakse süsinikkiust rootorilabasid, mis muudavad seadme kergemaks ning õhus paremini juhitavamaks.

Polümeerid või termokõvastunud komposiidid aitavad oluliselt tõsta materjali tulekindlust. Pinna lähedale valatud õhuke, tihe ja kompaktne süsinikkiu kiht peegeldab tõhusalt soojust.[18] Sellist tehnoloogiat kasutatakse IBM/Lenovo ThinkPad ja Dell XPS 13 seeria ning mitmete Sony sülearvuti puhul.

Jäätmekäitlus ja taaskasutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiuga tugevdatud polümeerid (CFRP) omavad päikese eest kaitstuna pikka kasutusiga. Materjali demonteerimise korral ei saa seda aga sulatada sarnaselt paljudele metallidele. Vinüüli (PVC või polüvinüülkloriid) ja muude halogeenitud polümeeride korral saab süsinikkiud tugevdusega polümeere hapniku keskkonnas termilise depolümerisatsiooni abil lagundada. Seda on võimalik saavutada naftatööstuses ühe etapilise protsessi kaudu. Selle abil on võimalik süsinikdioksiidi ja monomeeride kogumine ja taaskasutamine. Süsinikkiudu saab madalal temperatuuril ka jahvatada või purustada, kuid selline protsess halvendab oluliselt kiu väärtust. Sarnaselt taaskasutatavale paberile, põhjustab kiu lühenemine taaskasutatava materjali kvaliteedi halvenemist. Siiski leidub veel tööstuslikke rakendusi, kus ei vajata täispikka süsinikkiudu. Näiteks kasutatakse hakitud korduvkasutatavat süsinikkiudu tarbja elektroonikas (sülearvutid). Selline kasutamine loob võimaluse kasutada kiudu, mis oma omaduste poolest ei sobiks enam lennutööstuses kasutamiseks.

Süsinik nanotorudega tugevdatud polümeerid (CNRP)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsiniknanotoru (CNT)

Zyvex Technologies tutvustas 2009. aastal süsiniknanotorudega tugevdatud epoksiidi ja süsiniku eeltöötlusega materjale.[19] Süsiniknanotoru(CNT) on silindrilise nanostruktuuriga süsiniku allotroop. Tänu erakordsele soojusjuhtivusele, mehhaanilistele ja elektrilistele omadustele kasutatakse süsiniknanotorusid lisanditena struktuurimaterjalides. Süsiniknanotorudega tugevdatud polümeer (CNRP) on mitu korda tugevam ja raskem kui süsinikkiud tugevdusega polümeerid ja kasutati esimest korda Lockheed Martin F-35 Lightning II lennuki põhilise ehitusmaterjalina.[20] CNRP puhul kasutatakse endiselt esmaseks tugevdamiseks süsinikkiudu, kuid siduvaks maatriksiks on süsiniknanotorudega epoksiid.[21]  

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Kopeliovich, Dmitri. Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites (http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites). substech.com.
  2. Basic Properties of Reference Crossply Carbon-Fiber Composite (http://www.ornl.gov/~webworks/cpr/v823/rpt/106099.pdf). Oak Ridge National Laboratory, veebruar 2000.
  3. Mold Construction (http://www.fibreglast.com/product/mold-construction). Fibre Glast Developments Corporation.
  4. Vacuum Bagging Equipment and Techniques for Room-Temp Application (http://www.fibreglast.com/product/vacuum-bagging-equipment-and-techniques-for-room-temp-applications). Fibre Glast Development Corporation
  5. Filament Winding - The Basics (http://composite.about.com/od/equipment/a/Filament-Winding-The-Basics.htm). About.com.
  6. "Taking the lead: A350XWB presentation" (http://web.archive.org/web/20090327094646/http://www.eads.com/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf). EADS. December 2006. Archived from the original (http://www.eads.com/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf). 27 märts 2009.
  7. 7,0 7,1 The Future of Carbon Fiber-Reinforced Polymer (http://techkiddy.blogspot.com/2012/11/the-future-of-carbon-fiber-reinforced.html#). 16 november 2012.
  8. "Red Bull's How To Make An F1 Car Series Explains Carbon Fiber Use: Video" (http://www.motorauthority.com/news/1087167_red-bulls-how-to-make-an-f1-car-series-explains-carbonfiber-use-video). http://www.motorauthority.com. 11 oktoober 2013.
  9. BMW/SGL – Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) (http://www.drivingthenation.com/?p=8523). Drivingthenation, august 2013.
  10. Ismail, N. "Strengthening of bridges using CFRP composites."(http://web.archive.org/web/20120425231749/http://www.najif.net/wp-content/uploads/2007/12/cfrppaper.pdf) najif.net.
  11. Rahman, S. (november 2008). "Don’t Stress Over Prestressed Concrete Cylinder Pipe Failures"(http://www.awwa.org/publications/opflow/abstract/articleid/18373.aspx). Opflow Magazine 34 (11): 10–15.
  12. Pike, Carolyn M.; Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B. (4 May 2009). "Fabrication of Amperometric Electrodes". Journal of Visualized Experiments (27). doi:10.3791/1040 (http://dx.doi.org/10.3791%2F1040).
  13. "The Perils of Progress" (http://bicycling.com/blogs/boulderreport/2012/01/16/the-perils-of-progress/). Bicycling Magazine, 16 veebruar 2013.
  14. "Busted Carbon blog" (http://www.bustedcarbon.com/). Bustedcarbon.com, 16 veebruar 2013.
  15. "Carbon Bicycle and Component Care" (http://www.bicyclewarehouse.com/how-to/carbon-bicycle-andcomponent-care-pg457.htm). BicycleWarehouse.com, 16 veebruar 2013.
  16. "Inside Calfee Design's Carbon Repair Service" (http://www.bicycling.com/node/59457). Bicycling Magazine, 16 veebruar 2013.
  17. "ICC and Kookaburra Agree to Withdrawal of Carbon Bat" (http://www.netcomposites.com/newspic.asp?3612). NetComposites, 31 detsember 2010.
  18. Zhao, Z. and Gou, J. (2009). "Improved fire retardancy of thermoset composites modified with carbon nanofibers". Sci. Technol. Adv. Mater. (free download) 10: 015005. doi:10.1088/1468-6996/10/1/015005 (http://dx.doi.org/10.1088%2F1468-6996%2F10%2F1%2F015005).
  19. Epovex kirjastus, 19 oktoober väljaanne "Zyvex Performance Materials Launch Line of Nano-Enhanced Adhesives that Add Strength, Cut Costs" (http://web.archive.org/web/20121016170430/http://www.zyvextech.com/www/dcms/files/datasheets/epovex-adhesive-pr.pdf). Zyvex Materials.
  20. Trimble, Stephen (2011-06-26) "Lockheed Martin reveals F-35 to feature nanocomposite structures."(http://www.flightglobal.com/articles/2011/05/26/357223/lockheed-martin-reveals-f-35-to-featurenanocomposite.html) Flight International.
  21. AROVEX™ Nanotube Enhanced Epoxy Resin Carbon Fiber Prepreg (http://web.archive.org/web/20121016170251/http://www.zyvextech.com/www/dcms/files/data-sheets/arovexmsds.pdf). Material Safety Data Sheet. zyvextech.com.