Кто открыл углеродное волокно? История, проверенная на достоверность
Углеродное волокно было изобретено не за один раз. Обычно считается, что Джозеф Свон изготовил одну из первых углеродных нитей около 1860 года, а Томас Эдисон в 1879 году наладил коммерческое производство нитей из карбонизированной целлюлозы. Роджер Бэкон продемонстрировал первые высококачественные углеродные волокна в 1958 году. Затем в 1961 году Акио Синдо разработал технологию на основе полиакрилонитрила (PAN), лежащую в основе производства большей части углеродного волокна, изготавливаемого сегодня.
Это различие имеет большое значение. Свон и Эдисон изготовили углеродные нити, способные светиться внутри лампочек. Бэкон продемонстрировал механические возможности практически идеальных графитовых нитей. Синдо и последующие исследователи нашли практические способы превращения полимерных прекурсоров в прочные непрерывные армирующие волокна.
Кто открыл углеродное волокно? Краткий ответ
Если под “углеродным волокном” подразумевается самое раннее искусственное углеродное волокно, то ответом будет Джозеф Свон. Если же речь идет о первом высокоэффективном углеродном волокне, то ответом будет Роджер Бэкон. Если под этим термином подразумевается волокно на основе полиаминонатриевой смолы (PAN), используемое в большинстве современных углепластиков (CFRP), то ключевую роль в его разработке сыграли Акио Синдо и Британский королевский авиационный институт.
| Важный этап | Лицо или организация | Почему это важно |
|---|---|---|
| Около 1860 года | Джозеф Свон | Разработала одну из первых углеродных нитей для ламп накаливания |
| 1879 | Томас Эдисон | Карбонизированная хлопковая нить и бамбук для изготовления практичных нитей накаливания |
| 1958 | Роджер Бэкон, «Юнион Карбайд» | Графитовые кристаллиты, обладающие высокой прочностью и высоким модулем упругости |
| 1959 | Карри Форд и Чарльз Митчелл, «Юнион Карбайд» | Запатентованная технология высокотемпературной обработки вискозных волокон и тканей |
| 1961 | Акио Синдо, Осака | Получение прочных углеродных волокон из полиакрилонитрила (PAN) |
| 1964 | Уильям Уотт и Королевский авиационный институт | Разработано более высокоэффективное волокно PAN и обеспечена его коммерциализация в Великобритании |
| 1964 | Роджер Бэкон и Уэсли Шаламон | С помощью горячего растяжения были получены первые коммерческие вискозные волокна с действительно высоким модулем упругости |
| 1970 | Toray Industries и Union Carbide | Подписано технологическое соглашение, которое способствовало расширению производства волокон PAN |
Почему в разных источниках указываются разные изобретатели
Разногласия связаны с определением термина «углеродное волокно», а не только с историческими фактами.
Углеродная нить, изготовленная для лампы, с химической точки зрения относится к углеродному волокну. Однако она не обладает механическими характеристиками, которые ожидаются от конструкционного армирующего материала. В современной инженерии термин “углеродное волокно” обычно используется для обозначения непрерывных волокон с высокой прочностью на разрыв или жесткостью, способных армировать полимерную матрицу.
Углеродное волокно и готовый композитный материал из углеродного волокна — это также разные материалы. Усиливающим элементом служит углеродное волокно. Углепластик представляет собой сочетание этих волокон с полимерной матрицей, чаще всего эпоксидной. Волокна принимают на себя большую часть растягивающей нагрузки; матрица связывает их, распределяет нагрузку между волокнами и придает детали форму. Ни один отдельный изобретатель не создал всю эту систему материалов.
Джозеф Свон и Томас Эдисон: эпоха угольных нитей накаливания
Эксперименты Джозефа Свона с карбонизированной бумагой обычно датируются примерно 1860 годом. Его целью было создание нити накала для лампы, способной проводить электричество и выдерживать высокую температуру в вакууме. Материалом служил углерод, однако он не предназначался для укрепления конструктивного элемента.
Томас Эдисон занимался решением той же проблемы освещения в конце 1870-х годов. Американское химическое общество отмечает, что Эдисон придавал хлопковым нитям или бамбуковым щепкам нужную форму и обжигал их при высокой температуре. В результате карбонизации удалялись неуглеродные элементы, при этом форма нити сохранялась. Таким образом, Эдисону, возможно, следует отдать должное за создание первого коммерческого углеродного волокна, хотя оно предназначалось для использования в электротехнике, а не в строительстве.
Эти нити накаливания для ламп стали важными предшественниками. Они доказали, что сначала можно сформировать материал на основе целлюлозы, а затем преобразовать его в углерод. Эта последовательность процессов — от предшественника до углерода — по-прежнему является частью производства углеродного волокна, хотя современные сырье, системы контроля, печи, методы обработки поверхности и целевые показатели качества значительно более совершенны.
Роджер Бэкон и первые высокопрочные углеродные волокна
Открытие Роджера Бэкона, сделанное в 1958 году в Техническом центре «Юнион Карбайд» в Парме, положило начало эре современных высокоэффективных материалов. Исследуя графит в условиях высоких температур и давления в углеродной дуге, Бэкон обнаружил в твердом осадке длинные графитовые кристаллиты. Они были тонкими, гибкими и, с учетом своего веса, гораздо более прочными и жесткими, чем ранее выпускавшиеся на рынок углеродные волокна.
Согласно Американское химическое общество, Уса Бэкона достигали прочности на разрыв около 20 ГПа и модуля Юнга около 700 ГПа. Эти показатели относились к исключительным лабораторным нитям, а не к волокну, производимому в промышленных масштабах. По оценкам Бэкона, их производство в то время обходилось примерно в $10 миллионов за фунт. Это открытие подтвердило механический потенциал волокнистого графита, однако промышленности по-прежнему требовался технологический процесс, применимый в промышленных масштабах.
Бэкон не изготовил эти щетинки из PAN. Это распространённая историческая ошибка. В его патенте США № 2 957 756 описывается нитевидный графит, полученный в электрической дуге. Углеродное волокно на основе PAN появилось в результате отдельной линии исследований.
От вискозы до промышленного волокна с высоким модулем упругости
Исследователи компании «Юнион Карбайд» также занимались изучением вискозы — исходного материала для производства регенерированной целлюлозы. В 1959 году Карри Форд и Чарльз Митчелл запатентовали процесс термической обработки волокон и тканей из вискозы при температурах до 3 000 градусов по Цельсию. Полученный в результате материал начали использовать в передовых композитных материалах в начале 1960-х годов.
По жесткости волокна на основе вискозы по-прежнему уступали графитовым кристаллитам Бэкона. В 1964 году Бэкон и Уэсли Шаламон растянули углеродную нить, нагрев её до температуры свыше 2 800 градусов по Цельсию. Растяжение привело к более точному выравниванию слоёв графита по оси волокна и увеличило модуль Юнга примерно в десять раз. Компания Union Carbide продавала волокна, изготовленные по этому методу, под торговой маркой Thornel.
Эта ветвь истории важна тем, что связывает лабораторное открытие с готовым к использованию коммерческим продуктом. Однако именно этот процесс не стал доминирующим на мировом рынке структурных волокон.
Акио Синдо и применяемый сегодня процесс PAN
В 1961 году Акио Синдо из Государственного промышленного научно-исследовательского института Японии в Осаке продемонстрировал высокопрочное углеродное волокно с высоким модулем упругости, изготовленное из полиакрилонитрила. Американское химическое общество сообщает, что модуль упругости превышал 140 ГПа, что примерно в три раза превышало показатели доступных на тот момент волокон на основе вискозы. К 1964 году японские исследователи довели технологический процесс до стадии пробного производства.
В 1964 году в Великобритании Уильям Уотт и его коллеги из Королевского авиационного института разработали волокно PAN с ещё более высокими эксплуатационными характеристиками. Британские компании приобрели лицензию на эту технологию для коммерческого производства. Позже компания Toray Industries улучшила качество прекурсора PAN и в 1970 году подписала соглашение о совместном использовании технологий с компанией Union Carbide.
PAN стал доминирующим материалом благодаря оптимальному соотношению доступности, технологичности, выхода углерода, прочностных характеристик при растяжении и стабильности качества. По данным SAMPE, около 92% современного производства углеродного волокна осуществляется на основе PAN. Волокно, получаемое из смолы, по-прежнему играет важную роль в тех случаях, когда очень высокий модуль упругости или теплопроводность оправдывают его более высокую стоимость.
Как из прекурсора PAN получают углеродное волокно
Современное производство на основе PAN следует той же общей научной схеме, разработанной в тот период:
- Спиннинг: Производитель преобразует полимер PAN в тонкие нити-прекурсоры и подвергает их вытяжке для ориентации молекулярных цепей.
- Стабилизация: Контролируемое нагревание на воздухе приводит к преобразованию полимера в термостабильную лестничную структуру.
- Карбонизация: Обработка при более высоких температурах в инертной атмосфере позволяет удалить большинство атомов, не являющихся атомами углерода.
- Дополнительная обработка при более высокой температуре: Дальнейшая термическая обработка может повысить модуль упругости за счет увеличения структурного упорядочения, что, как правило, сопровождается ухудшением других характеристик.
- Обработка поверхности и проклейка: Поверхность волокна подготавливается и покрывается специальным слоем для облегчения обработки и улучшения сцепления с предполагаемой системой смол.
История объясняет, почему выбор исходного материала по-прежнему имеет значение для готовой детали. ПАН, вискоза и смола не позволяют получить взаимозаменяемые волокна. Условия термообработки также влияют на прочность на разрыв, модуль упругости, теплопроводность и стоимость. Поэтому конструктор выбирает марку волокна и систему ламинатов с учетом конкретного варианта нагрузки, а не просто ориентируясь на обозначение “углеродное волокно”.”
Когда углеродное волокно стало конструкционным материалом?
В 1960-е годы углеродное волокно стало широко применяться в качестве конструкционного армирующего материала. Благодаря поддержке ВВС США удалось добиться прогресса в разработке волокон на основе вискозы для изготовления сопел ракет, теплозащитных экранов, компонентов ракет и авиационных конструкций. Вскоре в Японии и Великобритании с помощью технологии PAN стали производить волокна с более высокими эксплуатационными характеристиками и большим производственным потенциалом.
В 1970-х годах с улучшением качества волокон и увеличением объемов производства сфера коммерческого применения расширилась. Аэрокосмическая отрасль оставалась одним из первых рынков сбыта, поскольку снижение массы позволяло оправдать затраты на материал и его обработку. Позже спортивные товары и автоспорт обеспечили углеродным композитам заметные области применения в потребительской сфере. Болид McLaren MP4/1, представленный в 1981 году, широко ассоциируется с первым монококом из углеродного композита, участвовавшим в гонках Формула 1, но «Формула-1» не изобрела углеродное волокно.
Что эта история означает для покупателей углеродного волокна
“Углеродное волокно” — это семейство материалов, а не отдельная спецификация. Два черных тканых ламината могут различаться по классу волокна, размеру тоу, типу переплетения, составу смолы, ориентации волокон, объему волокон, циклу отверждения, содержанию пустот и качеству поверхности. Эти переменные влияют на жесткость, ударную вязкость, температурные пределы, стабильность размеров, внешний вид и цену.
При реализации проекта по подбору поставщиков сначала определите деталь, а уже потом выбирайте технологический процесс. Среди полезных исходных данных можно выделить направление нагрузки, допустимое прогибание, рабочую температуру, риск ударов, целевой вес, требования к поверхности, годовой объем производства, критерии контроля качества и сопрягаемые поверхности. Декоративная крышка и несущий кронштейн могут выглядеть одинаково, но требовать применения разных материалов и различных систем контроля качества.
Если вы рассматриваете возможность изготовленная на заказ деталь из углепластика, отправьте чертеж, заявку, предполагаемый объем заказа и технические требования на адрес производитель углепластиковых композитов. Это дает инженерной команде достаточно информации для обсуждения архитектуры волокон и вариантов формования, а не только для оценки по внешнему виду.
Часто задаваемые вопросы
Углеродное волокно было изобретено в 1860 году или в 1958 году?
Обе даты относятся к разным этапам развития. Примерно в 1860 году Джозеф Свон изготовил одну из первых углеродных нитей для освещения. В 1958 году Роджер Бэкон продемонстрировал первые высококачественные графитовые волокна. Открытие 1958 года является более подходящей отправной точкой для История структурного углеродного волокна.
Изобрел ли Томас Эдисон углеродное волокно?
В 1879 году Эдисон изготовил и вывел на рынок нити для ламп из карбонизированной целлюлозы. По данным Американского химического общества, он, возможно, создал первое коммерческое углеродное волокно. Однако он не изобрел высокоэффективное армирующее волокно, используемое в современных конструкциях из углепластика.
Изобрел ли Роджер Бэкон углеродное волокно на основе PAN?
Нет. В 1958 году Бэкон открыл высокоэффективные графитовые кристаллиты в углеродной дуге, а позже участвовал в разработке вискозного волокна с высоким модулем упругости. В 1961 году Акио Синдо продемонстрировал в Японии успешный процесс производства на основе полиакрилонитрила (PAN). В 1964 году Уильям Уотт и Королевский авиационный институт улучшили характеристики волокна PAN.
Кто изобрел углеродное волокно для «Формулы-1»?
Ни одна из команд «Формулы-1» не изобрела само углеродное волокно. В 1981 году компания «McLaren» представила монокок из углеродного композита для болида MP4/1, разработанный в сотрудничестве с компанией «Hercules Aerospace». Это стало одним из крупнейших примеров применения существующих технологий углеродного волокна в автоспорте.
В чём заключается разница между углеродным волокном и углепластиком?
Углеродное волокно является армирующим волокном. Углепластик (CFRP) — это композитный материал, в котором углеродные волокна встроены в полимерную матрицу, как правило, эпоксидную. Тип и ориентация волокон в значительной степени определяют направленную жесткость и прочность, в то время как матрица связывает волокна, передает нагрузку и задает форму детали.
Об авторе
Техническая экспертиза, выполненная Хэнком, менеджером по продукту
