Kolfibrer är starkare och lättare än stål, och kompositmaterial baserade på kolfiberförstärkta polymerer används i ett växande utbud av flyg, bil, och andra applikationer – inklusive större delar av Boeing 787-flygplanet. Det är allmänt trott, dessutom, att kolfiberteknologi har potential att producera kompositer som är minst 10 gånger starkare än de som används idag.

Ett forskarlag vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny teknik som sätter en ny milstolpe för styrkan och modulen hos kolfibrer. Detta alternativa tillvägagångssätt är baserat på en innovativ teknik för spinning av polyakrylnitril (PAN), ett organiskt polymerharts som används för att tillverka kolfibrer.

Arbetet ingår i ett fyraårigt, $9,8 miljoner projekt sponsrat av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) för att förbättra styrkan hos kolfibermaterial. Forskningen rapporterades nyligen i tidskriften Kol .

"Genom att använda en gel-spinningsteknik för att bearbeta polyakrylnitrilsampolymer till kolfibrer, vi har utvecklat nästa generations kolfibrer som uppvisar en kombination av styrka och modul som inte tidigare setts med den konventionella lösningsspunnen metoden, sa Satish Kumar, en professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering som leder projektet. "Dessutom, vårt arbete visar att gel-spinning-metoden ger en väg för ännu större förbättringar."

Kumar förklarade att dragmodul - ett mått på styvhet - hänvisar till den kraft som behövs för att sträcka ett material med en viss mängd. Draghållfasthet uttrycker hur mycket kraft som krävs för att faktiskt bryta materialet.

Vid gelspinning, lösningen omvandlas först till en gel; denna teknik binder samman polymerkedjor och producerar robusta krafter mellan kedjorna som ökar draghållfastheten. Gelspinning ökar också riktningsorienteringen av fibrer, vilket också ökar styrkan. Däremot vid konventionell lösningsspinning, en process som utvecklades för mer än 60 år sedan, PAN-sampolymerlösning omvandlas direkt till en fast fiber utan mellanliggande geltillstånd och ger mindre robust material.

Den gelspunnen kolfiber som produceras av Kumars team testades vid 5,5 till 5,8 gigapascal (GPa) – ett mått på slutlig draghållfasthet – och hade en dragmodul i intervallet 354-375 GPa. Materialet producerades på en kontinuerlig karboniseringslinje vid Georgia Tech som konstruerades för detta DARPA-projekt.

"Detta är den högsta kombinationen av styrka och modul för alla kontinuerliga fibrer som rapporterats hittills, " sa Kumar. "Och vid kort längd, fiberdraghållfasthet mättes så hög som 12,1 GPa, vilket är det högsta draghållfasthetsvärdet som någonsin rapporterats för en PAN-baserad kolfiber."

Dessutom, Kumar noterade, den inre strukturen hos dessa gelspunnna kolfibrer mätt i nanoskala visade färre defekter än de senaste kommersiella kolfibrerna, som IM7. Specifikt, de gelspunnna fibrerna uppvisar en lägre grad av polymerkedjeförvecklingar än de som produceras genom lösningsspinning. Detta mindre antal förvecklingar beror på det faktum att gelspinning använder lägre koncentrationer av polymer än lösningsspinningsmetoder.

Kumar och hans team omvandlar den gelspunnen polymerblandningen till kolfibrer via en selektiv behandlingsprocess som kallas pyrolys, där den spunna polymeren gradvis utsätts för både värme och sträckning. Denna teknik eliminerar stora mängder väte, syre, och kväve från polymeren, lämnar mestadels hållfasthetshöjande kol.

"Det är viktigt att komma ihåg att den nuvarande prestandan hos lösningsspunna PAN-baserade kolfibrer har uppnåtts efter många år av material- och processoptimering – men mycket begränsade material- och processoptimeringsstudier har hittills utförts på gelspunnet PAN fiber, " sade Kumar. "I framtiden, vi tror att material- och processoptimering, förbättrad fibercirkuläritet, och ökad lösningshomogenitet kommer att ytterligare öka styrkan och modulen för gelspinningsmetoden."