Süsinikkiud: erinevus redaktsioonide vahel

[[Pilt:Kohlenstofffasermatte.jpg|thumbpisi|Süsinikkiust "kangas"]]

'''Süsinikkiud''' (inglise ''Carbon fiber''; lühend CF) on materjal, mis sisaldab 5–10  µm diameetriga enamjaolt [[süsinik|süsiniku]]u aatomitest koosnevaid [[kiud]]e. Süsiniku [[aatom]]id on keerdunud üksteise külge [[kristall|kristallidena]]idena, 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“"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 name="u3tqg" /> Neid kiude toodeti kuumutades kunstsiidi niidikesi seni, kuni need söestusid. See protsess osutus ebatõhusaks, sest valminud kiud sisaldas vaid 20% süsinikku ega olnud piisavalt tugev ega jäik. 1960. aastate alguses töötas uue valmistusviisi välja Dr Akio Shindo, kes töötas Tööstusliku 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 süsinikkiu lõid 1963. aastal W. Watt, L. N. Phillips ja W. Johnson, kes töötasid Kuninglikus Lennundusasutuses [[Farnborough]]’s, mis asub [[Hampshire]]’is. Tootmine [[patent|patenteeriti]]eeriti Ühendkuningriigi kaitseministeeriumis. Seejärel litsentseeris Rahvusliku Uuringu ja Arengu ettevõte protsessi kolmele Briti firmale: [[Rolls-Royce]] (kes juba valmistas süsinikkiudu), [[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.

Iga [[süsinikkiuniit]] on puntras miljoni [[süsinikniit|süsinikniidiga]]. Üksik niit on õhuke toruke, mille diameeter on 5–8 [[mikromeeter|mikromeetrit]] ja sisaldab ainult [[süsinik|süsinikku]]ku. Esimesed süsinikkiu diameetrid olid 7–8 [[mikromeeter|mikromeetrit]]. Hiljem saadi kiu diameetrit vähendada kuni 5 mikromeetrini.<ref name="cantwell" />

[[Pilt:Cfaser haarrp.jpg|thumbpisi|6 μm diameetriga süsinikniit (pealmine) võrdluses juuksekarvaga (alumine)]]

Süsinikkiu [[aatomiline ehitus]] on sarnane [[grafiit|grafiidiga]], sisaldades süsiniku aatomite lehti, mis paiknevad regulaarselt [[heksagonaalne|heksagonaalse]] mustrina. Erinevus seisneb selles, kuidas need lehed põrkuvad omavahel. [[Grafiit]] on kristalliline materjal, mille lehed on kuhjatud paralleelselt teineteise peale regulaarses vormis. [[Intermolekulaarsed jõud]] lehtede vahel on suhteliselt nõrgad [[Van der Waalsi jõud]], andes grafiidile pehmed ja haprad omadused. Kui valmistada süsinikkiude, siis olenevalt [[lähteaine|lähteainest]]st, süsinikkiud saab olla [[grafiidne]], [[turbostraatiline]] või [[hübriidne]] struktuur, kus on nii grafiidne kui ka turbostraatiline osa esindatud. Turbostraatilises süsinikkius on süsiniku aatomite lehed juhuslikult volditud või kortsunud kokku. Süsinikkiud on valmistatus [[polüakrüülnitriil|polüakrüülnitriilist]]ist [[(PAN)]], mis on turbostraatiline ehk süsinikkiud on tuletatud [[mesofaas|mesofaasi]]i [[vaik|vaigust]] ja muutub grafiidseks pärast kuumutamist temperatuuril kuni 2200 &nbsp;°C. Turbostraatilisel süsinikkiul on tavaliselt väga suur [[venivustugevus]].

Süsinikkiudu kasutatakse enamjaolt [[materjal|materjalide]]ide tugevdamisel, eriti materjaliklasside puhul nagu süsinikkiu- ja grafiidipolümeerid. Mitte[[polümeerne|polümeerseid]] materjale saab kasutada ka süsinikkiu [[maatriks|maatriksina]]ina. Tulenevalt [[metall|metalli]]i [[karbiid|karbiidide]]ide moodustamisest ja [[korrosioon|korrosiooni]]i 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]]ide [[filtreerimine|filtreerimisel]] ja ka [[Antistaatiline|antistaatilise]] komponendina. Vormitud õhukese kihiga süsinikkiud täiustab märgatavalt [[polümeerid|polümeeride]]e või termokõvendavate ühendite vastupidavust tulel, sest nad on tihked. Kompaktsete süsinikkiudude kihid [[peegeldama|peegeldavad]] tõhusalt kuumust.<ref name="QKEoI" />

Ülemaailmne vajadus süsinikkiu ühendite järgi on hinnatud umbkaudselt 10,8 miljardit USA dollarit aastal 2009, millest vähenes 8–10% eelmisest aastast. Eeldatakse, et aastaks 2012 ulatub see summa 13,2 miljardi USA dollarini ja tõuseb aastaks 2015 kuni 18,6 miljardi USA dollarini, mille iga-aastane kasvuprotsent on 7 või enam. Suurimad nõuded tulevad [[lennundus|lennunduse]]e, [[tuuleenergia]] ja samuti ka [[autotööstus|autotööstuse]]e valdkondadest.<ref name="Qv1FQ" />

[[Pilt:PAN stabilization.PNG|thumbpisi|Süsinikkiu süntees polüakrüülnitriilist. 1. Akrüülnitriili polümerisatsioon PAN-iks. 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.]]

Iga [[süsinikniit]] on toodetud [[prekursor]] [[polümeer|polümeerist]]ist. [[Prekursor polümeer]] on tavaliselt [[kunstsiid]], [[polüakrüülnitriil]] (PAN) või [[petrooleumvaik]]. Sünteetilised polümeerid nagu kunstsiid ja polüakrüülnitriil (PAN) on ennekõike kedratud lõngaks, kasutades [[keemiline|keemilisi]] ja [[mehaaniline|mehaanilisi]] protsesse. Esialgu reastatakse polümeeriaatomid sellisse olekusse, kus tugevdatakse [[füüsikalised omadused|füüsikalisi omadusi]]. Prekursorite [[koostisosad]] ja mehaanilised protsessid, kuidas kedrata, on erinevad erinevate tootjate vahel. Pärast venitamist või ketramist, kuumutatakse polümeerkihid, et eemale peletada mittesüsiniku aatomid. Nii valmibki lõplik süsinikkiud. Süsinikkiude töödeldakse vahel ka täiendavalt, et parandada käitlemise omadusi, siis juba keritakse koonuspoolidele.<ref name="PhA2X" />

Tavaline tootmismeetod sisaldab kedratud PAN-kiudude kuumutamist umbes 300 &nbsp;°C juures õhu käes, mis lõhub paljusid [[vesinikside|vesiniksidemeid]]meid ja [[oksüdeerima|oksüdeerib]] materjali. Oksüdeeritud PAN pannakse ahju, milles on [[Inertgaasid|inertgaas]], näiteks [[argoon]], ja kuumutatakse kuni 2000 &nbsp;°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-ist. Süsinik kuumutatakse vahemikus 1500–2000 &nbsp;°C ([[karboniseerimine]]), mille tulemusel materjal talub kõrget [[tõmbetugevus]]t (820 000 psi, 5650 MPa või N/mm²). Kui aga süsinikkiud kuumutada 2500–3000 &nbsp;°C ([[grafineerimine]]), talub see suurt elastsuskoefitsienti (77 000 000 psi või 531 GPa või 531 &nbsp;kN/mm²).

Süsinikkiu lähteaineteks on [[polüakrüülnitriil]] (PAN), [[kunstsiid]] ja [[vaik]]. Süsinikkiust lõnga kasutatakse mitmetes töötlemismeetodites: otsesed kasutamisviisid on kiu ketramine, kudumine, punumine jne. Süsinikkiu lõnga hinnatakse [[joontihedus|joontiheduse]]e kaudu (pikkus ühe ühiku kohta 1 g / 1000 m = 1 tex). Näiteks 200 texi 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]]est ja koe valikust. Mõned levinumad koe tüübid on [[koepindne toimne]], [[satiin]] ja [[labane kude]]. Süsinikkiude saab ka [[silmuskude|silmuskoes]] kududa või [[palmima|palmida]].

*[http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1971/1971%20-%201784.html Carbon Fibres – the First Five Years] – artikkel süsinikkiu kasutamisest lennunduses – [[Flight International|Flight]], 1971