Süsinikkiud

 
Süsinikkiud (inglise "carbon fiber"; lühend CF) on materjal, mis koosneb 5–10 µm diameetriga kiududest, mis sisaldavad enamjaolt süsiniku aatomeid. Süsiniku aatomid on keerdunud üksteise külge kristallidena, mis on suuremal või väiksemal määral joondatud paralleelselt piki kiu telge. Kristalliline joondumine annab kiule suure tugevuse oma väikese suuruse kohta. Mitmed tuhanded süsinikkiud on kedratud lõngaks, et hiljem sellest lõngast saaks kududa "kangast".
Süsinikkiu omadusteks on suur jäikus, väike soojuspaisuvus, hea venivus, keemiline vastupidavus ning vastupidavus kõrgete temperatuuride suhtes. Tänu nendele omadustele on süsinikkiud väga populaarne atmosfääri- ja kosmosetehnoloogias, ehituses, sõjatehnikas ja motospordis. Materjal on aga suhteliselt kallis võrreldes klaaskiu või plastkiuga.
Süsinikkiud on segatud tavaliselt teiste materjalidega, et valmistada uusi segusid. Näiteks grafiidiga, et valmistada süsinik-süsinikmaterjale, mis on väga vastupidavad ka kõrgel temperatuuril.
Ajalugu.
1958. aastal lõi Roger Bacon suure jõudlusega süsinikkiud Parma Karbiidide Seltsi tehnoloogiakeskuses. Nüüd kutsutakse seda GrafTechi ülemaailmseks osakute ühinguks ja see asub Clevelandi lähedal Ohios. Neid kiude toodeti kunstsiidi niidikesi kuumutamisega 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 Jaapanis. Ta kasutas toorainena polüakrüülnitriili (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 riiklikus lennundusettevõttes Farnborough’s, mis asub Inglismaal Hampshire’i krahvkonnas. Tootmine patenteeriti Suurbritannia kaitseministeeriumis. Seejärel litsentseeris riiklik teadus- ja arendusettevõte 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.
Rolls-Royce keskendus süsinikkiu kasutamisele mootori kompressorlabades. Kui selgus, et sellised mootorid on eriti haavatavad kokkupõrgetele lindudega, siis mõjus see ettevõtte äriplaanidele väga halvasti. RB-211 lennukimootorite osas satuti tõsistesse probleemidesse ja kaasnenud majandusraskused sundisid Briti valitsust 1971. aastal ettevõtet riigistama. Süsinikkiu tootmise ettevõte müüdi ja selle alusel moodustati uus firma Bristol Composites.
Süsinikkiu kõrge hind ja kõikuvad omadused piirasid oluliselt materjali müügivõimalusi. Nõnda otsustas ka Morganite sellest ärist väljuda ja Courtlands jäi ainsaks suurtootjaks Suurbritannias. Ettevõte jätkas süsinikkiu tegemist, arendades kahte peamist turgu: kosmose- ja spordivarustust. Aastatega täiustati tootmise kiirust ja tooteomadusi.
Jaapani valitsus toetas kohalike ettevõtete tootearendust antud valdkonnas ja selle alane edu Jaapanis innustas ka USA ja Euroopa ettevõtteid asjaga tegelema. Turule hakkas lisanduma järjest uusi süsinikkiutüüpe.
1980. aastatel jätkas Courtauld tegevust kui suurim süsinikkiu tarnija spordikaupade turul. Laienemissoovidest kantuna otsustati ehitada tehas Californiasse, kuid plaan ei läinud ootuspäraselt ning lõppes sellega, et 1991. aastal väljus Courtauld süsinikkiu tootmisest.
1970. aastatel leiti katsetustööde käigus uus tooraine, milleks oli petrooleumpigi, mida saadi naftatöötlemisel. Saadud kiud sisaldas umbes 85% süsinikku ja oli suurepärase paindetugevusega.
Süsinikkiu laialdast kasutamist lennundus- ja kaitsetööstuses, aga ka hoonete ehitamisel õigustatakse asjaoluga, et materjal on metalli karedusega võrreldes märkimisväärselt parem. Ehituse käigus saadud süsinikkiudu hakati kasutama Californias 1980. aastal seismiliselt aktiivses vööndis asuvate hoonete tugevdamiseks. Kodumajapidamises kasutatakse materjali reeglina remonditööde käigus, kuid selle populaarsus ja ulatus kasvavad järk-järgult.
Struktuur.
Iga süsinikkiuniit on puntras miljoni süsinikniidiga. Üksik niit on õhuke toruke, mille diameeter on 5–8 mikromeetrit ja mis sisaldab ainult süsinikku. Esimesed süsinikkiu diameetrid olid 7–8 mikromeetrit. Hiljem saadi kiu diameetrit vähendada kuni 5 mikromeetrini. Praegu on kasutusel 3–15-mikromeetrise läbimõõduga süsinikkiud. 
Süsinikkiu aatomiline ehitus on sarnane grafiidiga, sisaldades süsiniku aatomite lehti, mis paiknevad regulaarselt 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 lähteainest, 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 polüakrüülnitriilist (PAN), mis on turbostraatiline ehk süsinikkiud on tuletatud mesofaasi vaigust ja muutub grafiidseks pärast kuumutamist temperatuuril kuni 2200 °C. Turbostraatilisel süsinikkiul on tavaliselt väga suur venivustugevus.
Rakendused.
Süsinikkiudu kasutatakse enamjaolt materjalide tugevdamisel, eriti materjaliklasside puhul nagu süsinikkiu- ja grafiidipolümeerid. Mittepolümeerseid materjale saab kasutada ka süsinikkiu maatriksina. Tulenevalt metalli karbiidide moodustamisest ja korrosiooni kaalutlustest on süsinik piiramatult edenenud metalli maatriksi ühendite rakendustes. Tugevdatud süsinik-süsink (RCC) sisaldab süsinikku, mille kiud on tugevdatud grafiidist. Tugevdatud süsinik-süsinikku kasutatakse ehituslikult kõrge temperatuuri aladel. Kuid samuti leiab kasutust kõrge temperatuuriga gaaside filtreerimisel ja ka antistaatilise komponendina. Vormitud õhukese kihiga süsinikkiud täiustab märgatavalt polümeeride või termokõvendavate ühendite vastupidavust tulel, sest nad on tihked. Kompaktsete süsinikkiudude kihid peegeldavad tõhusalt kuumust.
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 lennunduse, tuuleenergia ja autotööstuse valdkonnast. Süsiniku efektiivsus võimaldab seda edukalt kasutada puidust, tellistest või raudbetoonist konstruktsioonide tugevdamiseks. Sellise materjaliga tugevdatud konstruktsioonid tugevnevad kokkusurumisel kuni 120% ja painutamisel saab see lisaks 65% tugevust. Lisaks sellele kasutusjuhule kasutatakse süsinikkiudu edukalt ka kivistruktuuride, näiteks talade ja betoonsildade tugede taastamisel. Eraehituses annab vundamendi või seinte tugevdamine söega hoonele suure ohutusvaru.
Ehituse tehnilised omadused ja eelised
Süntees.
Iga süsinikniit on toodetud prekursor polümeerist. Prekursor polümeer on tavaliselt kunstsiid, polüakrüülnitriil (PAN) või petrooleumvaik. Sünteetilised polümeerid nagu kunstsiid ja polüakrüülnitriil (PAN) on ennekõike kedratud lõngaks, kasutades keemilisi ja mehaanilisi protsesse. Esialgu reastatakse polümeeriaatomid sellisesse olekusse, kus tugevdatakse 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.
Tavaline tootmismeetod sisaldab kedratud PAN-kiudude kuumutamist umbes 300 °C juures õhu käes, mis lõhub paljud vesiniksidemed ja oksüdeerib materjali. Oksüdeeritud PAN pannakse ahju, milles on inertgaas, näiteks argoon, ja kuumutatakse kuni 2000 °C-ni, mis ärgitab materjali grafitisatsiooni, muutes 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 °C (karboniseerimine), mille tulemusel materjal talub suurt tõmbetugevust (820 000 psi, 5650 MPa või N/mm²). Kui aga süsinikkiud kuumutada 2500–3000 °C (grafineerimine), talub see suurt elastsuskoefitsienti (77 000 000 psi või 531 GPa või 531 kN/mm²).
Tekstiil.
Süsinikkiu lähteaineteks on polüakrüülnitriil (PAN), kunstsiid ja vaik. Süsinikkiust lõnga kasutatakse mitmetes töötlemismeetodites: otsesed kasutamisviisid on kiu ketramine, kudumine, punumine jne. Süsinikkiu lõnga hinnatakse joontiheduse kaudu (pikkus ühe ühiku kohta 1 g / 1000 m = 1 tex). Näiteks 200 texi 3000 süsinikkiu niidistikust on kolm 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 tihedusest ja koe valikust. Mõned levinumad koe tüübid on koepindne toimne, satään ja labane kude. Süsinikkiude saab ka silmuskoes kududa või palmida.