Süsinikkiud: erinevus redaktsioonide vahel

'''Süsinikkiud''' (inglise ''Carbon fiber''; lühend CF) on materjal, mis sisaldab 5–10 µm diameetriga enamjaolt [[süsinik|süsiniku]] aatomitest koosnevaid [[kiud]]e. Süsiniku [[aatom]]id on keerdunud üksteise külge [[kristall|kristallidena]], mis on suuremal või väiksemal määral joondatud paralleelselt piki kiu telge. Kristalliline joondumine annab kiule suure tugevuse oma väiksuse kohta. Mitmed tuhanded süsinikkiud on kedratud lõngaks, et hiljem sellest lõngast saaks kududa „kangast“.

Aastal 1958 lõi [[Roger Bacon (füüsik)|Roger Bacon]] suure jõudlusega süsinikkiud Parma Karbiidide Seltsi tehnoloogiakeskuses. Nüüd kutsutakse seda GrafTechi ülemaailmseks osakute ühinguks ja see asub [[Cleveland]]i lähedal [[Ohio]]s. <ref>[http://acswebcontent.acs.org/landmarks/landmarks/carbon/car3.html Bacon's breakthrough]</ref> Neid kiude toodeti kuumutades kunstsiidi niidikesi seni, kuni nadneed söestusid. See protsess osutus ebatõhusaks, sest valminud kiud sisaldasid vaid 20% süsinikku ja neil puudus suur tugevus ning jäikus. 1960ndate alguses oli välja arendatud valmistusviis Dr Akio Shindo poolt, kes töötas TöösuslikuTööstusliku Teaduse ja Tehnoloogia Agentuuris, mis asus [[Jaapan]]is. Ta kasutas toorainena [[polüakrüülnitriil]]i (PAN). Nõnda õnnestus toota süsinikkiudu, mis sisaldas u 55% süsinikku.

Suure jõuvaru tugevusega süsinikkiud loodi W. Watt'i, L. N. Phillips'iPhillipsi ja W. Johnson'iJohnsoni poolt 1963. aastal, kes töötasid Kuningliku Lennundus asutuses [[Farnborough]]’s, mis asub [[Hampshire]]’s. Tootmine [[patent|patendeeriti]] Ühendkuningriigi kaitseministeeriumi poolt. Seejärel litsentseeris Rahvusliku Uuringu ja Arengu ettevõte protsessi kolmele Briti kompaniile: [[Rolls-Royce]] (kes juba valmistas süsinikkiude), [[Morganite]] ja [[Courtaulds]]. Nad suutsid luua tööstusliku süsinikkiu tootmiseks vajalikud tööstusruumid mõne aastaga. Rolls-Royce kasutas ära uue materjali omadused, et tungida Ameerika turule oma [[RB-211]] lennumootoritega.

Süsinikkiude kasutatakse enamjaolt [[materjal|materjalide]] tugevdamisel, eriti materjaliklasside puhul nagu süsinikkiu- ja grafiidipolümeerid. Mitte [[polümeerne|polümeerseid]] materjale saab ka kasutada süsinikkiudude [[maatriks|maatriksina]]. Tulenevalt [[metall|metalli]] [[karbiid|karbiidide]] moodustamisest ja [[korrosioon|korrosiooni]] kaalutlustest on süsinik piiramatult edenenud metalli maatriksi ühendite rakendustes. [[Tugevdatud süsinik-süsink]] (RCC) sisaldab süsinikku, mille kiud on tugevdatud [[grafiit|grafiidist]]. Tugevdatud süsinik-süsinikku kasutatakse ehituslikult kõrge temperatuuri aladel. Kuid samuti leiab kasutust kõrge temperatuuriga [[gaas|gaaside]] [[filtreerimine|filtreerimisel]] ja ka [[anti-staatiline|anti-staatilise]] komponendina. Vormitud õhukese kihiga süsinikkiude täiustab märgatavalt [[polümeerid|polümeeride]] või termokõvendavate ühendite vastupidavust tulel, sest nad on tihked. Kompaktsete süsinikkiudude kihid [[peegeldama|peegeldavad]] tõhusalt kuumust.<ref>Z. Zhao and J. Gou "Improved fire retardancy of thermoset composites modified with carbon nanofibers" Sci. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 015005 [http://dx.doi.org/10.1088/1468-6996/10/1/015005 free download]</ref>

Ülemaailmne vajadus süsinikkiu ühendite järgi on hinnatud umbkaudselt 10,8 [[billion|billionit]] USA dollarit aastal 2009, millest vähenes 8–10% eelmisest aastast. Eeldatakse, et aastaks 2012 ulatub see summa 13,2 billioni USA dollarini ja tõuseb aastaks 2015 kuni 18,6 billioni USA dollarini, mille iga-aastane kasvuprotsent on 7 või enam. Suurimad nõuded tulevad [[lennundus|lennunduse]], [[tuuleenergia]] ja samuti ka [[autotööstus|autotööstuse]] valdkondadest.<ref>{{cite web | title = Market Report: World Carbon Fiber Composite Market | publisher = [http://www.acmite.com Acmite Market Intelligence] | url = http://www.acmite.com/market-reports/materials/world-carbon-fiber-composite-market.html }}</ref>

[[Pilt:PAN stabilization.PNG|thumb|Süsinikkiu süntees polüakrüülnitriilist. 1. Akrüülnitriili polümerisatsioon PANiks. 2. Tsükliks muutmine madalal temperatuuril 3. Oksüdeerimine kõrgel temperatuuril ehk karboniseerimine. Pärast seda algab grafineerimisprotsess sealt, kus lämmastik on eemaldatud ja ahelad on ühinenud grafiittasanditeks.]]

Tavaline tootmisemeetod sisaldab kedratud PAN-kiudude kuumutamist umbes 300 °C juures õhu käes, mis lõhub paljusid [[vesinikside|vesiniksidemeid]] ja [[oksüdeerima|oksüdeerib]] materjali. Oksüdeeritud PAN asetatakse ahju, milles on [[inertne gaas]] nagu [[argoon]] ja kuumutatakse kuni 2000 °C-ni, mis ärgitab materjali [[grafitatsioon|grafitisatsiooni]], muutes [[molekulaarne side|molekulaarse sideme]] struktuuri. Kui kuumutatakse õigetel tingimustel, siis ahelate sidemed küljelt-küljele (redel polümeerid) moodustavad kitsa grafeeni lehed, mis lõpuks ühendatakse ühtseks piklikuks niidiks. Tulemuseks on tavaliselt 93–95% süsinikku. Madala kvaliteediga kiudu võib toota pigi või kunstsiidi prekursori asemel PAN'st. Süsinik kuumutatakse vahemikus 1500–2000 °C ([[karboniseerimine]]), mille tulemusel materjal talub kõrget tõmbetugevust (820000820 000 psi, 5650 MPa või N/mm²). Kui aga süsinikkiud kuumutada 2500–3000 °C ([[grafineerimine]]), talub see suurt elastsuskoefinitsenti (77 000 000 psi või 531 GPa or 531 kN/mm²).

Süsinikkiudude lähteaineteks on [[polüakrüülnitriil]] (PAN), [[kunstsiid]] ja [[vaik]]. Süsinikkiust lõnga kasutatakse mitmetes töötlemismeetodites: otsesed kasutamisviisid on kiudude ketramine, kudumine, punumine, ja nii edasi. Süsinikkiu lõnga hinnatakse [[joontihedus|joontiheduse]] kaudu (pikkus ühe ühiku kohta 1 g / 1000 m = 1 tex). Näiteks 200 teksitexi 3000 süsinikkiu niidistikust on 3 korda tugevam kui 1000 süsinikkiudu, aga ka kolm korda raskem. Seda keeret saab kasutada süsinikkiu niidistiku riide või kanga kudumisel. Riide välimus sõltub tavaliselt lõnga [[tihedus|tihedusest]] ja koe valikust. Mõned levinumad koe tüübid on [[koepindne toimne]], [[satiin]] ja [[labane kude]]. Süsinikkiude saab ka [[silmuskude|silmkoeliselt]] kududa või [[palmima|palmida]].