Hiilikuitu

Hiilikuitu on hiilisäie tai hiilisäikeistä valmistettu kudos, jossa säikeen läpimitta on yleensä noin 5–8 μm. Hiilikuitu on lähes täysin hiiliatomeja. Hiiliatomit ovat sitoutuneet toisiinsa mikroskooppisen pieniksi kiteiksi, jotka on ovat asettuneet säikeeksi vastakkaisesti säikeen pituussuuntaan nähden. Yksi kudos saattaa sisältää useita tuhansia säikeitä. Hiilikuitusäikeen rakenne on samankaltainen kuin hiilinanolevyn, mutta säikeen muodossa .
Arkikielessä hiilikuidulla tarkoitetaan yleensä hiilikuidulla lujitettuja muoveja eli komposiitteja, jossa epoksihartsimatriisi lujitetaan hiilikuiduista valmistetulla matolla. Materiaali on lujaa ja kevyttä, mutta myös suhteellisen kallista.

Historia

Ensimmäiset hiilikuidut valmistettiin 1950-luvulla ohjuskomponenttien muoviosien lujittamiseen. Ensimmäiset hiilikuidut valmistettiin kuumentamalla viskoosisäikeitä, kunnes ne karbonoituivat. Prosessi oli erittäin tehoton ja lopputuotteessa oli vain n. 20% hiiltä ja sen kestävyys sekä jäykkyys olivat huonot. 1960-luvulla prosessia kehitettiin käyttämällä raaka-aineena polyakrylonitriiliä. Tällöin lopputuotteesta oli jo 55% hiiltä ja sen ominaisuudet olivat huomattavasti paremmat. 1970-luvulla löydettiin uudeksi raaka-aineeksi öljypiki, josta tuotetulla hiilikuidulla olikin hyvä taivutuslujuus, mutta puristuslujuus on rajallinen, joten sen käyttö on pysynyt vähäisenä.

Rakenne ja ominaisuudet

Hiilikuitu koostuu useista säikeistä. Yksittäinen säie on halkaisijaltaan 5-8 mikrometriä ja koostuu lähes täysin hiilestä. Aluksi kehitetyt säikeet olivat 7–8 mikrometriä halkaisijaltaan ja viime aikoina on päästy viiteen mikrometriin . Rakenteeltaan hiilikuitu muistuttaa grafiittia. Ne koostuvat hiiliatomikerroksista, joissa atomit ovat järjestäytyneet heksagonaaliseen muotoon. Hiilikuitu ja grafiitti eroavat toisistaan näiden kerroksien tavasta kiinnittyä toisiinsa.
Hiilikuidut luokitellaan niiden vetolujuuksien avulla. Vetolujuus mittaa kuinka paljon voimaa eri suuntiin tietyn läpimitan kuitu kestää katkeamatta. Vetolujuuden yksikkö SI-järjestelmässä on Pascal. Kuidut joiden vetolujuus on alle 240 GPa määritellään alhaisen lujuuden hiilikuiduiksi. Erittäin korkean lujuuden hiilikuiduiksi määritellään kuidut, joiden vetolujuus on 500–1000 GPa. Teräksen vetolujuus on noin 200 GPa, joten siihen verrattuna vahvin hiilikuitu on noin viisi kertaa vahvempaa.

Valmistus

Hiilikuidun valmistukseen on useita erilaisia menetelmiä. 
Hiilisäikeitä valmistetaan muun muassa pyrolyysillä polyakrylonitriilistä (PAN). Kuumennuksessa polymeeri muodostaa hiiliketjuja, jotka liittyvät pitkiksi kuiduiksi. Lopputuote on 93–95-prosenttista hiiltä. Polyakryylinitriiliä lämmitetään, jolloin polyakryylinitriilissä oleva hiilen ja typen kolmoissidos katkeaa. Tällöin hiilen ja ketjussa seuraavan hiilen välille muodostuu yksinkertainen sidos ja hiiliketju muuttuu kehämäiseksi. 
Tämän jälkeen suoritetaan uusi lämmitys, noin 700 °C:een. Tällöin kehät aromatisoituvat. Tämän jälkeen lämmitetään jälleen uudelleen, noin 400–600 °C:een jolloin kehät muodostava  toisten kehärivien kanssa toistuvia rivejä. Tässä vaiheessa muodostuu myös typpikaasua, kun typpiatomeja vapautuu kehärivien väleistä. Lopulta kun rivejä sulautuu yhteen, jäljelle ei jää juurikaan typpeä, vaan grafiittimuodossa olevaa 93–95-prosenttista hiiltä. 
PAN:i käyttävällä menetelmällä tuotetaan noin 90% maailman hiilikuidusta. Lopuilla 10% hiilikuiduista on raaka-aineena öljypiki tai viskoosi.  Myös puusta erotetun selluloosan tai ligniinin käyttöä hiilikuidun valmistukseen kehitetään.

Käyttö

Hiilikuidulla lujitettu muovirakenne on painoltaan tyypillisesti puolet vastaavan lujuisen teräsrakenteen painosta, jonka takia hiilikuitu on erittäin suosittu avaruus- ja ilmailualalla, urheiluvälineissä, urheiluautoissa, purjeveneiden mastoissa, ja kaikessa muussa missä tarvitaan keveyttä ja lujuutta. Hiilikuidulla voidaan myös lujittaa tekstiilejä. Kankaisiin kudotaan mukaan hiilikuitusäikeistä koottuja lankoja, jolloin kankaan lujuus moninkertaistuu. 
Potentiaalisia tulevaisuuden käyttökohteita hiilikuidulle on jatkuvasti yhä enemmän. Esimerkiksi sähköntuotannon parissa käyttökohteita ovat tuulivoima, paineistetun maakaasun varastointi ja kuljetus sekä polttokennot. Nykyään hiilikuitua käytetään urheiluautoissa, mutta hinnan laskiessa massatuotannossa oleviin autoihin tulee myös enemmän hiilikuitua, joka laskee niiden painoa ja siten kulutusta. Rakennusalalla voidaan valmistaa kevytelementtejä hiilikuidusta sekä hiilikuidun ominaisuuksia voidaan hyödyntää maanjäristyksiltä suojautumiseen rakennuksissa. Hiilikuitu on myös lupaavimpia avaruushissin materiaaleja.