Ontwikkeling van kosteneffectieve en sterke composiet koolstofvezel met behulp van koolstof nanobuisjes

Koolstofnanobuisjes zijn een nieuw materiaal dat 100 keer sterker is dan staal terwijl het slechts een vierde weegt en een elektrische geleidbaarheid heeft die even hoog is als die van koper. Als vezels zouden kunnen worden gemaakt met behulp van koolstofnanobuisjes, zouden deze vezels in theorie de prestaties van bestaande koolstofvezels kunnen overtreffen, waardoor vezels op basis van koolstofnanobuisjes een nieuw interessant materiaal zouden worden in de ruimtevaart-, militaire en mobiliteitsindustrie. Het behouden van de superieure eigenschappen van koolstofnanobuisjes in vezels is echter een grote uitdaging, en de commercialisering van dergelijke vezels is moeilijk vanwege de extreem hoge kosten van koolstofnanobuisjes.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Bon-Cheol Ku van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) Jeonbuk Institute of Advanced Composite Materials werkte samen met een onderzoeksteam onder leiding van professor Han Gi Chae van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST ) om een ​​goedkope fabricagetechnologie te ontwikkelen voor koolstof-nanobuis-gebaseerde composietkoolstofvezels met extreem hoge treksterkte en hoge modulus. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Composieten Deel B: Engineering.

Over het algemeen worden koolstofvezels vervaardigd als zeer sterke vezels op basis van het polymeer polyacrylonitril (PAN) of vezels met hoge modulus met behulp van pek afkomstig van gepyrolyseerde stookolie. Het onderzoeksteam ontwikkelde een technologie die de modulus aanzienlijk verbeterde met behoud van hoge sterkte door gebruik te maken van koolstofnanobuisjes en polyimide (PI).

Het team heeft met succes vezels gefabriceerd met een hoge modulus (528 GPa) en hoge sterkte (6,2 GPa) door aanvankelijk een koolstofnanobuis en polyimidecomposietvezel te maken met behulp van een continu nat spinproces en vervolgens een warmtebehandeling bij hoge temperatuur toe te passen. De gerapporteerde modulus is 1,6 keer groter dan die van in de handel verkrijgbare vezels (~ 320 GPa).

Bovendien bevestigde microstructuuranalyse dat de fysieke eigenschappen van het gefabriceerde materiaal werden verbeterd door de leegte in de vezels te verminderen, en dat de koolstofnanobuis / polyimideverbinding de oriëntatie van de koolstofnanobuisjes verbeterde. Het onderzoeksteam was in staat om deze extreem sterke en modulusvezels te fabriceren en tegelijkertijd tot 50% van de koolstofnanobuisjes te vervangen door goedkoop polyimide om de totale kosten te verlagen.

Dr. Ku van KIST zei: “Dit onderzoek is zinvol omdat de fabricagekosten van op koolstof-nanobuis gebaseerde koolstofvezels aanzienlijk kunnen worden verlaagd door goedkope polymeren te gebruiken.” Hij voegde eraan toe: “Deze nieuwe koolstofvezels, die vroeger moeilijk te commercialiseren waren vanwege de hoge kosten, zullen naar verwachting worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, het leger en toekomstige mobiliteitsindustrieën.”