«Υαξαθηεξηζκόο ηλώλ άλζξαθνο πςειήο αληνρήο»

Transcript

1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΔΣΑΠΣΤΥΙΑΚΩΝ ΠΟΤΓΩΝ ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΥΟΛΗ ΘΔΣΙΚΩΝ ΔΠΙΣΗΜΩΝ ΣΜΗΜΑ ΔΠΙΣΗΜΗ ΣΩΝ ΤΛΙΚΩΝ «Υαξαθηεξηζκόο ηλώλ άλζξαθνο πςειήο αληνρήο» Κνπηξνπκάλεο Νηθόιανο Α.Μ. : 72 Δπηβιέπσλ Καζεγεηήο: Γαιηψηεο Κσλζηαληίλνο Πάηξα, Οθηώβξηνο 2014

2 ii

3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΔΣΑΠΣΤΥΙΑΚΩΝ ΠΟΤΓΩΝ ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΥΟΛΗ ΘΔΣΙΚΩΝ ΔΠΙΣΗΜΩΝ ΣΜΗΜΑ ΔΠΙΣΗΜΗ ΣΩΝ ΤΛΙΚΩΝ «Υαξαθηεξηζκόο ηλώλ άλζξαθνο πςειήο αληνρήο» Κνπηξνπκάλεο Νηθόιανο Α.Μ. : 72 Τπιμελήρ Εξεταστική Επιτποπή: Γαιηώηεο Κσλζηαληίλνο: Καζεγεηήο Απγνπξόπνπινο Γεώξγηνο: Λέθηνξαο Πνπιόπνπινο Παλαγηώηεο: Αλ. Καζεγεηήο iii

4 iv

5 Πξόινγνο Η ζπγθεθξηκέλε εξγαζία εθπνλήζεθε ζηo Δξεπλεηηθφ Ιλζηηηνχην Υεκηθήο Μεραληθήο θαη Υεκηθψλ Γηεξγαζηψλ Τςειήο Θεξκνθξαζίαο (Δ.Ι.ΥΗ.Μ.Τ.Θ) ζηα πιαίζηα ηνπ κεηαπηπρηαθνχ Πξνγξάκκαηνο Μεηαπηπρηαθψλ πνπδψλ ηνπ Σκήκαηνο Δπηζηήκεο Σσλ Τιηθψλ. ηφρνο ηεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη κέζσ ηεο θαζκαηνζθνπνίαο Raman, λα παξαηεξήζνπκε ηελ κεηαηφπηζε ηνπ θπκαηάξηζκνπ ηεο θνξπθήο (2D) σο ζπλάξηεζε ηεο παξακφξθσζεο γηα δηαθνξεηηθνχο ηχπνπο ηλψλ άλζξαθα. Με απηφ ηνλ ηξφπν καο δίλεηαη ε δπλαηφηεηα θαηαζθεπήο αηζζεηήξσλ ζχλζεησλ πιηθψλ. Αξρηθά, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνλ θ. Κσλζηαληίλν Γαιηψηε γηα ηελ εκπηζηνζχλε πνπ κνπ έδεημε θαη ηελ αλάζεζε ηεο εξγαζίαο αιιά θαη γηα ηε ζπζηεκαηηθή θαζνδήγεζε θαη ελζάξξπλζε ηνπ ζε φιε ηε δηάξθεηα ηεο εθπφλεζεο ηεο. Δπίζεο, νθείισ έλα κεγάιν επραξηζηψ ζηελ Γεσξγία Σζνχθιεξε, ηνλ Γηψξγν Γθίθα, ηνλ Παλαγηψηε Παππά θαζψο θαη ηνλ Γηάλλε Παξζέλην γηα ηελ βνήζεηα ζηε ζσζηή εθηέιεζε ησλ πεηξακάησλ θαη γηα ηελ πξνζπκία θαη θαινζχλε ηνπο πνπ πάληα επηδείθλπαλ ζηελ άκεζε απάληεζε φισλ ησλ εξσηήζεσλ κνπ. v

6 Πεξίιεςε ήκεξα, ηα ζχλζεηα πιηθά ρξεζηκνπνηνχληαη επξέσο ζηελ θαζεκεξηλφηεηα καο. Με ηνλ φξν ζχλζεηα ελλννχκε ηα πιηθά ηα νπνία µαθξνζθνπηθά απνηεινχληαη απφ δχν ή πεξηζζφηεξα ρεκηθά επδηάθξηηα ζπζηαηηθά κέξε θαη εκθαλίδνπλ µηα ζπγθεθξηκέλε δηαρσξηζηηθή επηθάλεηα κεηαμχ ηνπο. Σν έλα απφ ηα ζπζηαηηθά κέξε ραξαθηεξίδεηαη σο ζπζηαηηθφ ελίζρπζεο θαη πξνζδίδεη ζην ζχλζεην βειηησκέλεο κεραληθέο ηδηφηεηεο. Σν δεχηεξν ζπζηαηηθφ θαιείηαη κήηξα, είλαη ζπλήζσο ρακειήο ππθλφηεηαο θαη ε ζπκκεηνρή ηνπ ζην ζχλζεην εμαζθαιίδεη ηε κέγηζηε δπλαηή εθκεηάιιεπζε ησλ ηδηνηήησλ ηεο ελίζρπζεο. Γηα ηηο βέιηηζηεο ηδηφηεηεο ηνπο φκσο πξέπεη αξρηθά λα κειεηεζνχλ νη κεραληθέο ηδηφηεηεο κήηξαο θαη ελίζρπζεο μερσξηζηά. ηελ παξνχζα εξγαζία επηθεληξσλφκαζηε θπξίσο ζηα πνιπκεξηθά ζχλζεηα πιηθά κε ελίζρπζε απφ ίλεο άλζξαθα. Οη εμαηξεηηθά θαιέο κεραληθέο ηδηφηεηεο πνπ εκθαλίδνπλ νη ίλεο άλζξαθα ηηο θαζηζηνχλ ηδαληθφ εληζρπηηθφ κέζν γηα πνιπκεξηθέο κήηξεο κε ζθνπφ ηελ παξαγσγή ζχλζεησλ πνιπκεξηθψλ πιηθψλ πςειψλ εηδηθψλ ηδηνηήησλ. Οη ίλεο απηέο απνηεινχληαη απφ άηνκα άλζξαθα ησλ νπνίσλ νη δεζκνί είλαη πεξίπνπ παξάιιεινη κε ηνλ άμνλα ηεο ίλαο, γεγνλφο πνπ πξνζδίδεη ζην αλζξαθφλεκα πςειή δπζθακςία, αληνρή ζε ζξαχζε θαη ρακειφ ζπληειεζηή ζεξκηθήο δηαζηνιήο. Λφγσ απηψλ ησλ ηδηνηήησλ, ζε ζπλδπαζκφ κε ην ρακειφ βάξνο θαη ηελ αληνρή ζε ρεκηθή πξνζβνιή, ηα αλζξαθνλήκαηα ρξεζηκνπνηνχληαη φιν θαη πεξηζζφηεξν ζηελ αεξνλαππεγηθή, ηνλ θαηαζθεπαζηηθφ ηνκέα θαη ηελ απηνθηλεηνβηνκεραλία. Γηα ηελ κειέηε ησλ κεραληθψλ θαη θαζκαηνζθνπηθψλ ηδηνηήησλ ησλ ηλψλ άλζξαθα ρξεζηκνπνηήζεθαλ ε ζπζθεπή κεραληθψλ δνθηκψλ MTS, ε ειεθηξνληθή κηθξνζθνπία ζάξσζεο (Scanning Electron Microscope, SEM), o Μεραληθφο Γπλακηθφο Αλαιπηήο (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) θαη ε θαζκαηνζθνπία Raman. Η δηπισκαηηθή εξγαζία απνηειείηαη απφ δχν κέξε: ην ζεσξεηηθφ κέξνο, γίλεηαη κηα βηβιηνγξαθηθή εηζαγσγή ζηηο ίλεο άλζξαθα, ηελ παξαγσγή θαη ηηο ηδηφηεηεο ηνπο. Δπηπιένλ, αλαιχνληαη νη πεηξακαηηθέο ηερληθέο πνπ πξναλαθέξζεθαλ. Ωο αλαθνξά ην πεηξακαηηθφ θνκκάηη, παξνπζηάδνληαη θαη ζπγθξίλνληαη ηα απνηειέζκαηα ησλ αλσηέξσ ηερληθψλ ραξαθηεξηζκνχ. vi

7 Abstract In our days, composite materials are widely used in our life. Composites is meant materials witch macroscopically consist of two or more chemically distinct components have a specific interface between them. One of the components, characterized as enhancing component in the composite and imparts improved mechanical properties. The second component is called matrix, is usually low density and involvement in complex ensures maximum exploitation of the properties of the aid. So, composites optimal properties should initially be studied the mechanical properties of fiber and matrix separately. In this paper we focus mainly on polymeric composites reinforced by carbon fibers. Carbon fibers exhibit extremely good mechanical properties, which make it an ideal tool for reinforcing polymeric matrices to produce composite polymeric materials of high specific properties. These fibers are composed of carbon atoms that their bonds are approximately parallel to the axis of the fiber, which gives high strength, fracture toughness and low thermal expansion coefficient to carbon fibers. Due to these properties, combined with the low weight and resistance to chemical attack, carbon fibers are increasingly used in aeronautical, construction sector and automotive. To study the mechanical and spectroscopy properties of carbon fiber we used device mechanical testing MTS, Scanning Electron Microscopy (SEM), Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) and Raman spectroscopy. The thesis consists of two parts: Theory part, which is a bibliographical introduction to carbon fiber production and properties. Furthermore, analyzing the experimental techniques mentioned above. Experimental part, where presented and compared the results of above characterization techniques. vii

8 ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ Ι) Θεσξεηηθό κέξνο Κεθάιαην 1: Μνξθέο Άλζξαθα 1.1 Γξαθίηεο Γηακάληη Φνπιεξέληα Ναλνζσιήλεο άλζξαθα Γξαθέλην... 6 Κεθάιαην 2: Ίλεο Άλζξαθα 2.1 Γεληθά Πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα Ιλώλ Άλζξαθα Καηεγνξηνπνίεζε Ιλώλ Άλζξαθα Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από θπηηαξίλε Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από Πνιπαθξπινληηξίιην Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από πίζζα.. 17 Κεθάιαην 3: Γνκή θαη ηδηόηεηεο ηλώλ άλζξαθα 3.1 Γνκή ηλώλ άλζξαθα ΡΑΝ Γνκή ηλώλ άλζξαθα Πίζζαο Έιεγρνο ηεο δνκήο Ιδηόηεηεο ηλώλ άλζξαθα Μεραληθέο ηδηόηεηεο Υεκηθή ηαζεξόηεηα Θεξκνθπζηθέο Ιδηόηεηεο Ηιεθηξηθέο ηδηόηεηεο Δθαξκνγέο ηλώλ άλζξαθα.. 28 viii

9 ΙI) Πεηξακαηηθό Μέξνο Κεθάιαην 4: Πεηξακαηηθέο ηερληθέο 4.1 Η κεραληθή ζπκπεξηθνξά ησλ ηλώλ άλζξαθα Η ζπζθεπή κεραληθώλ δνθηκώλ MTS Μεραληθόο Γπλακηθόο Αλαιπηήο (DMA) Ηιεθηξνληθή Μηθξνζθνπία άξσζεο (SEM) Γεληθά Οξγαλνινγία Φαζκαηνζθνπία Raman Γεληθά Αιιειεπίδξαζε ηεο ύιεο κε ηελ Ηιεθηξνκαγλεηηθή Αθηηλνβνιία Η θιαζζηθή πεξηγξαθή ηνπ θαηλνκέλνπ Raman Πεηξακαηηθή δηάηαμε θαζκαηνζθνπίαο Raman Φαζκαηνζθνπία Raman ζε γξαθηηηθά πιηθά. 44 Κεθάιαην 5: Πξνεηνηκαζία δνθηκίσλ 5.1 Πξνεηνηκαζία δνθηκίσλ γηα κεραληθή παξακόξθσζε Πξόηππα Γνθηκώλ Πξνεηνηκαζία δνθηκίσλ γηα ην SEΜ Κεθάιαην 6: Πεηξακαηηθά Απνηειέζκαηα 6.1 Απνηειέζκαηα Ηιεθηξνληθήο Μηθξνζθνπίαο άξσζεο (SEM) Απνηειέζκαηα δνθηκώλ εθειθπζκνύ ζην DMA Απνηειέζκαηα δνθηκώλ εθειθπζκνύ ζηελ ΜTS Απνηειέζκαηα θαζκαηνζθνπίαο Raman ix

10 πκπέξαζκα Βηνγξαθηθό εκείσκα Βηβιηνγξαθία.. 83 x

11 Ι) Θεσξεηηθό κέξνο 1

12 Κεθάιαην 1: Μνξθέο Άλζξαθα Ο άλζξαθαο έρεη ηελ ηθαλφηεηα λα ζρεκαηίδεη δεζκνχο κε άιια άηνκα άλζξαθα ή κε άιια ζηνηρεία θαη λα δίλεη καθξνκνξηαθέο ελψζεηο. Γηα ην ιφγν απηφ είλαη ην βαζηθφηεξν ζηνηρείν νξγαληθψλ ελψζεσλ ζηελ γε. Δπίζεο, ν άλζξαθαο παξνπζηάδεη ην θαηλφκελν ηνπ πνιπκνξθηζκνύ ή αιινηξνπίαο. Ο φξνο απηφο ρξεζηκνπνηείηε γηα ζηνηρεία θαη ελψζεηο πνπ παξνπζηάδνπλ πεξηζζφηεξεο απφ κηα θξπζηαιιηθέο δνκέο, θάησ απφ δηαθνξεηηθέο ζπλζήθεο ζεξκνθξαζίαο θαη πίεζεο. ηε θχζε ν άλζξαθαο απαληάηαη ζε δπν αιινηξνπηθέο θξπζηαιιηθέο κνξθέο (allotropic crystalline forms) ζαλ γξαθίηεο θαη ζαλ δηακάληη. Οη αιινηξνπηθέο κνξθέο πνπ κφιηο πεξηγξάθεθαλ δελ είλαη νη κφλεο πνπ είλαη γλσζηέο ζηνλ άλζξσπν, θαζψο ηα ηειεπηαία ρξφληα δεκηνπξγήζεθαλ λέεο κνξθέο άλζξαθα. Απηέο πεξηγξάθνληαη παξαθάησ: 1.1 Γξαθίηεο Σα πιηθά απφ άλζξαθα απνηεινχλ αληηθείκελα κειέηεο θαη ρξήζεο εδψ θαη πνιιά ρξφληα. Ο γξαθίηεο (graphite) έρεη ηξηζδηάζηαηε δνκή απνηεινχκελνο απφ παξάιιεια επίπεδα αηφκσλ άλζξαθα ηνπνζεηεκέλα ζε εμαγσληθφ πιέγκα. Σα άηνκα ζπγθξαηνχληαη ζην πιέγκα κε πβξηδηθνχο sp 2 δεζκνχο. Γνκηθά ν γξαθίηεο είλαη έλα πνιπεπίπεδν πιηθφ, πνπ απνηειείηαη απφ αηνκηθά ζηξψκαηα γξαθελίνπ. Σα επηκέξνπο ζηξψκαηα γξαθελίνπ ζηνηβάδνληαη ζην πιέγκα ζε δνκή ABAB Bernal. [1] Η αιιειεπίδξαζε κεηαμχ γεηηνληθψλ επηπέδσλ είλαη αζζελέζηεξε ζπγθξηλφκελε κε ηελ ηζρχ ησλ αιιειεπηδξάζεσλ κεηαμχ ησλ αηφκσλ θάζε επηπέδνπ. Απηφ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη ελψ ε απφζηαζε κεηαμχ δχν αηφκσλ ζην ίδην επίπεδν είλαη 1,42 Å. Η απφζηαζε κεηαμχ ησλ επηπέδσλ είλαη αξθεηά κεγαιχηεξε. Απηφ νθείιεηαη ζην εχξνο ησλ π δεζκψλ, νη ινβνί ησλ νπνίσλ είλαη θάζεηνη ζην επίπεδν ηνπ θάζε θχιινπ. Οη ηδηφηεηεο ελφο ηδαληθνχ θξπζηάιινπ γξαθίηε δηαθέξνπλ αλάινγα κε ην επίπεδν θαη ηε δηεχζπλζε πνπ εμεηάδεηαη, εκθαλίδνληαο έηζη κεγάιε αληζνηξνπία. Απφ φια ηα πιηθά, ν γξαθίηεο έρεη ην πςειφηεξν ζεκείν ηήμεο (4200 K), ηελ πςειφηεξε ζεξκηθή αγσγηκφηεηα (3000W/mK) θαζψο θαη πςειή θηλεηηθφηεηα ειεθηξνλίσλ ζε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ ( cm 2 /Vs). Ο ηξηζδηάζηαηνο γξαθίηεο ζπληέζεθε γηα πξψηε θνξά ην 1960 απφ ηνλ Arthur Moore. Η ζχλζεζε ζε πςειέο 2

13 ζεξκνθξαζίεο θαη πςειή πίεζε απέδσζε έλα πιηθφ θνηλψο γλσζηφ σο πςεινχ πξνζαλαηνιηζκνχ ππξνιπηηθφο γξαθίηεο (HOPG). [2-8] 1.2 Γηακάληη Σν δηακάληη απνηειεί κηα κνξθή άλζξαθα κε πςειή ζεκαζία θαζψο ραξαθηεξίδεηαη απφ εμαηξεηηθέο ηδηφηεηεο, φπσο: I. Έρεη ηελ πςειφηεξε ζεξκηθή αγσγηκφηεηα απφ νπνηνδήπνηε ζηεξεφ ζε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ. II. Δίλαη ηδαληθφ νπηηθφ πιηθφ ηθαλφ λα κεηαδψζεη θσο απφ ην ππέξπζξν κέρξη ην ππεξηψδεο. III. Έρεη αζπλήζηζηα κεγάιν δείθηε δηάζιαζεο IV. Δίλαη κε δηαθνξά ην ζθιεξφηεξν γλσζηφ πιηθφ ζηελ γε. ην δηακάληη θάζε άηνκν άλζξαθα ελψλεηαη κε ηα γεηηνληθά ηνπ, κέζσ πβξηδηθώλ sp δεζκψλ, ζρεκαηίδνληαο έλα θαλνληθφ ηεηξάεδξν κε ίζεο κεηαμχ ηνπο γσλίεο ησλ 109 ν. Σα άηνκα ηζαπέρνπλ κεηαμχ ηνπο κε κήθνο δεζκνχ 0,154 nm. Η θξπζηαιιηθή δνκή ηνπ δηακαληηνχ κπνξεί λα αλαπαξαζηαζεί σο έλα εδξνθεληξσκέλν πιέγκα Bravais, κε βάζε δχν άηνκα ζηηο ζέζεηο (0,0,0) θαη (1/4,1/4,1/4). Απηή ε δνκή είλαη θνηλή θαη ζηνπο εκηαγσγνχο, φπσο ην γεξκάλην ή ην ππξίηην. Η ππθλφηεηά ηνπ είλαη ίζε κε 3,515 g/cm 3 θαη είλαη κεγαιχηεξε απφ απηή ηνπ γξαθίηε, κε 2,26 gr/cm 3. [9] Δηθόλα 1: ζρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε α) ηεο δνκήο ηνπ γξαθίηε, β) ηεο δνκήο ηνπ δηακαληηνχ 3

14 1.3 Φνπιεξέληα Σν 1985 έγηλε ε ζχλζεζε ελφο άιινπ κνλαδηθνχ ζπζηήκαηνο άλζξαθα, ησλ Φνπιιεξελίσλ C60. Σα θνπιεξέληα (fullerenes) ζπληέζεθαλ απφ ηνπο Harold Kroto, James R. Heath, Sean O Brien, Robert Curl θαη Richard Smalley θαη βξαβεχηεθαλ κε βξαβείν Νφκπει Υεκείαο ην 1996 γηα ηελ ζχλζεζε απηήο ηεο νηθνγέλεηαο ελψζεσλ. Σν κφξην απηφ απνηειείηαη απφ 60 άηνκα άλζξαθα πνπ ελψλνληαη θπξίσο κε sp 2 δεζκνχο θαη ζρεκαηίδνπλ κηα θιεηζηή επηθάλεηα κε πιήξε εηθνζαεδξηθή ζπκκεηξία. [10] Σν πην ζηαζεξφ θνπιεξέλην είλαη απηφ ην νπνίν απνηειείηαη απφ 60 άηνκα άλζξαθα (C60). Ωζηφζν, θνπιεξέληα κε 70, 76 ή 84 άηνκα άλζξαθα είλαη εμίζνπ θνηλά. Σν φλνκα ηνπο πξνέξρεηαη απφ ηνλ αξρηηέθηνλα Richard Buckminister Fuller, ν νπνίνο θαηέζηεζε δεκνθηιή ην γεσδαηηηθφ ζφιν. Σα θνπιεξέληα είλαη γεληθά ζηαζεξά κφξηα θαη απαηηνχλ ζεξκνθξαζίεο ηεο ηάμεσο ησλ 1000 o C θαη άλσ γηα λα δηαζπαζηνχλ νη δεζκνί κεηαμχ ησλ αλζξάθσλ πνπ ην απνηεινχλ. Η αλάιπζε κε αθηίλεο Υ ή ζθέδαζε λεηξνλίσλ ελφο κνξηαθνχ θξπζηάιινπ C60 κπνξεί λα θαλεξψζεη ηε ζθαηξηθή δνκή ηνπ κνξίνπ θαζψο θαη ηε δηάκεηξν ηνπ. Η δηάκεηξνο ηνπ κνξίνπ ηνπ C60 κπνξεί λα κεηξεζεί κε δηάθνξεο θαζκαηνζθνπηθέο κεζφδνπο θαη είλαη πεξίπνπ ίζε κε 0,710 nm. Πξνθεηκέλνπ λα βξεζεί ε ελεξγφο δηάκεηξνο ηνπ κνξίνπ ζα πξέπεη λα ζπλππνινγηζηεί ην εχξνο ηνπ ειεθηξνληθνχ λέθνπο ησλ π-ειεθηξνλίσλ, ην νπνίν είλαη ίζν κε 0,335 nm. Έηζη, ε δηάκεηξνο ηνπ κνξίνπ θηάλεη ηα 1,380 nm. Σν θνπιεξέλην C60 εκθαλίδεη 3 είδε αμφλσλ ζπκκεηξίαο 2εο, 3εο θαη 5εο ηάμεσο θαη ζπλνιηθνχο άμνλεο πνπ θηάλνπλ ηνπο 21. Σέινο, παξακέλεη αλαιινίσην ζε αληηζηξνθή ησλ αμφλσλ ηνπ ζπζηήκαηνο αλαθνξάο. πλδπάδνληαο φια ηα παξαπάλσ βξίζθεηαη πσο είλαη πηζαλέο 120 δηαθνξεηηθέο δηαδηθαζίεο ζπκκεηξίαο ελφο ζεκείνπ. Απηφ θαζηζηά ην κφξην ηνπ C60 ην πεξηζζφηεξν ζπκκεηξηθφ. Η ζπκκεηξία απηή πεγάδεη απφ ηελ ζρεδφλ ηέιεηα ζθαηξηθφηεηα ηνπ κνξίνπ. Απηή επηηπγράλεηαη κε ηελ χπαξμε πεληαγσληθψλ εδξψλ, θαζψο είλαη απηά ηα νπνία εηζάγνπλ θπξηφηεηα ζην κφξην. Η χπαξμε δχν γεηηνληθψλ πεληαγψλσλ ζε έλα θνπιεξέλην, επηβαξχλεη ηε ζηαζεξφηεηα ηνπ κνξίνπ θαη έρεη ζαλ απνηέιεζκα απμεκέλε θπξηφηεηα. [9] 4

15 1.4 Ναλνζσιήλεο άλζξαθα Οη λαλνζσιήλεο άλζξαθα αλαθαιχθζεθαλ ην 1991, ζηα ρλάξηα ηεο εκθάληζεο ηνπ θνπιεξελίνπ. Απφ ηφηε νη λαλνζσιήλεο άλζξαθα έρνπλ εμειηρζεί ζε έλα απφ ηα πιηθά πνπ παξνπζηάδνπλ ηελ κεγαιχηεξε εξεπλεηηθή δξαζηεξηφηεηα απφ ηελ επηζηεκνληθή θνηλφηεηα. ήκεξα, απηφ ην πιηθφ είλαη ππεχζπλν γηα ηελ επαλάζηαζε ηεο λαλνηερλνινγίαο. Σν κεγάιν ελδηαθέξνλ γηα ηνπο λαλνζσιήλεο άλζξαθα θαζψο θαη ε αμηνπνίεζή ηνπο κέζα ζε έλα επξχ θάζκα εθαξκνγψλ, νθείιεηαη ζηε κνλαδηθέο ρεκηθέο, κεραληθέο, ζεξκηθέο θαη νπηνειεθηξνληθέο ηδηφηεηεο πνπ παξνπζηάδνπλ. [11-12] Έλαο λαλνζσιήλαο άλζξαθα (carbon nanotube) κπνξεί λα πεξηγξαθεί ζαλ έλα γξαθηηηθφ θχιιν (graphene) ηπιηγκέλν ζε ζρήκα θπιίλδξνπ, κε δηάκεηξν ηεο ηάμεσο ησλ λαλνκέηξσλ. Απνηειεί επνκέλσο κνλνδηάζηαηε λαλνδνκή θαη ν ιφγνο ηνπ κήθνπο πξνο ηε δηάκεηξν (aspect ratio), κπνξεί λα μεπεξλά ην Η αλαθάιπςε ηνπο απνδίδεηαη πνιχ ζπρλά ζηνλ Sumio Iijima γηα ινγαξηαζκφ ηεο NEC ην [13] Ωζηφζν, ήδε απφ ην 1952 είραλ δεκνζηεπηεί εηθφλεο ζσιήλσλ απφ άλζξαθα δηακέηξνπ 50 nm απφ ηνπο Radushkevich θαη Lukyanovich ζε ξψζηθν επηζηεκνληθφ πεξηνδηθφ. Δπηπιένλ, λαλνζσιήλεο άλζξαθα είραλ παξαρζεί θαη παξαηεξεζεί θη άιιεο θνξέο θάησ απφ δηάθνξεο ζπλζήθεο ήδε πξηλ ηνλ Οη λαλνζσιήλεο κπνξεί λα είλαη πνιιαπιψλ ηνηρσκάησλ (multi-wall nanotubes, MWNT) κε έλα θεληξηθφ ζσιήλα λα πεξηβάιιεηαη απφ έλα ή πεξηζζφηεξα ζηξψκαηα γξαθίηε ή κνλνχ ηνηρψκαηνο (single-wall nanotubes, SWNT) φπνπ ππάξρεη κφλν έλαο ζσιήλαο θαη θαζφινπ επηπιένλ ζηξψκαηα γξαθίηε. Όηαλ λαλνζσιήλεο νκαδνπνηνχληαη πξνθχπηνπλ νη ιεγφκελεο ζπζηνηρίεο λαλνζσιήλσλ (nanotubes bundles). [13] ήκεξα έρεη πιένλ επηηεπρζεί ε αλάπηπμε ελφο κνλνθινητθνχ λαλνζσιήλα άλζξαθα (SWNT) ζε κηα ζπγθεθξηκέλε ζέζε, κε ζπγθεθξηκέλε θαηεχζπλζε θαη κήθνπο αξθεηψλ ρηιηνζηψλ κε ζρεδφλ 100% θαζαξφηεηα (απνπζία άιισλ κνξθώλ άλζξαθα). [14] ε κηα ζπζηνηρία λαλνζσιήλσλ, θνηλά πξνζαλαηνιηζκέλνη κνλνθινητθνί λαλνζσιήλεο ζπγθξαηνχληαη κεηαμχ ηνπο κε αζζελείο δπλάκεηο Van Der Waals, ζρεκαηίδνληαο έλα ηξηγσληθφ πιέγκα δχν δηαζηάζεσλ. Η ζηαζεξά ηνπ πιέγκαηνο απηνχ είλαη 1,7 nm ελψ ε απφζηαζε κεηαμχ ησλ ζσιήλσλ είλαη 0,315nm. 5

16 Η ζχλζεζε ζπζηνηρηψλ δηεπθφιπλε ηελ παξαγσγή πξαθηηθψλ πνζνηήησλ λαλνζσιήλσλ. Μεηά απφ πεξηζζφηεξν απφ κηα δεθαπεληαεηία έληνλεο δξαζηεξηφηεηαο ζηελ έξεπλα ησλ λαλνζσιήλσλ άλζξαθα, φιν θαη κεγαιχηεξε πξνζνρή δίλεηαη ζηηο πξαθηηθέο εθαξκνγέο ηνπο. [15] Δηθόλα 2: Αιινηξνπηθέο Μνξθέο άλζξαθα: a) δηακάληη, b) θνπιεξέλην C60, c) γξαθίηεο, d) θνπιεξέλην C540, e) θνπιεξέλην C70, f) λαλνζσιήλαο άλζξαθα κνλνχ ηνηρφκαηνο. [24] 1.5 Γξαθέλην Ο φξνο γξαθέλην (graphene) εκθαλίζηεθε ην 1987 πξνθεηκέλνπ λα πεξηγξάςεη κνλά θχιια γξαθίηε σο έλα απφ ηα ζπζηαηηθά ησλ ελψζεσλ παξεκβνιήο γξαθίηε. Σν ελδηαθέξνλ ζε έλα αηνκηθφ ζηξψκα άλζξαθα sp 2 δεζκψλ αλάγεηαη ζηελ πξσηνπνξηαθή ζεσξεηηθή εξγαζία ηνπ Wallace ην Η ζχλζεζε ηνπ ζηξψκαηνο γξαθίηε αλαθέξζεθε γηα πξψηε θνξά απφ ηνλ Boehm ην 1962, αιιά γηα πνιιά ρξφληα δελ επηβεβαηψζεθε. [16,17] 6

17 Η εθηεηακέλε κειέηε ηνπ γξαθελίνπ μεθίλεζε απφ ηνπο Geim θαη Novoselov, φηαλ ρξεζηκνπνίεζαλ κηα απιή κέζνδνο θνιιεηηθήο ηαηλίαο γηα ηελ πξνεηνηκαζία θαη ηε κεηαθνξά ελφο ζηξψκαηνο (layer) γξαθίηε ζε έλα απφ ηα πεηξάκαηά ηνπ. [18,19] Παξαδφμσο, απηφ ην πνιχ βαζηθφ ζχζηεκα, εκθαλίζηεθε μαθληθά ζηελ πεηξακαηηθή ζθελή, απνδεηθλχνληαο λέεο θπζηθέο ηδηφηεηεο πνπ δελ είραλ θαληαζηεί ζην παξειζφλ. [19,20] Ο Novoselov θαη ν Geim έθαλαλ κειέηεο γηα ηηο ηδηφηεηεο ιίγσλ ζηξσκάησλ γξαθελίνπ ην Σν 2010 ν Novoselov θαη ν Geim βξαβεχηεθαλ κε ην Νφκπει Φπζηθήο. Σν γξαθέλην έρεη πνιχ ζεκαληηθέο κεραληθέο ηδηφηεηεο, φπσο: αληνρή ζηε ζξαχζε (~40 N/m), κέηξν ειαζηηθφηεηαο (~1,0 TPα) ζεξκηθέο ηδηφηεηεο (ζεξκηθή αγσγηκφηεηα ζε RΣ ~3000 W/m -1 Κ -1 ) [18,19] Παξά ην γεγνλφο φηη νη λαλνζσιήλεο θαη ην γξαθέλην είλαη λαλνδνκέο κε βάζε ηνλ άλζξαθα, έρνπλ δηαθνξεηηθέο ηδηφηεηεο. Απηφ νθείιεηαη θπξίσο ζηηο επίπεδεο πιεπξέο ηνπ γξαθελίνπ θαη ηηο ζσιελνεηδήο πηπρέο ησλ λαλνζσιήλσλ. Έηζη, απηή ε δηαθνξά δηαθξίλεη ηηο δχν απηέο δνκέο ζηε ρξήζε θαη ηηο εθαξκνγέο ηνπο. [21,22] 7

18 Κεθάιαην 2: Ίλεο Άλζξαθα 2.1 Γεληθά Οη ίλεο άλζξαθα (carbon fibers) είλαη έλα πιηθφ πνπ παξνπζηάδεη ηελ κνξθή ηνπ γξαθίηε. Οη ίλεο απηέο εκθαλίζηεθαλ ην 1879 φηαλ νη Edison θαη Swan πνπ αλζξαθνπνηνχζαλ θαιάκηα κπακπνχ, γηα ηελ παξαζθεπή ηλψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαλ σο λήκαηα ππξαθηψζεσο ζε ιακπηήξεο. Οη ίλεο άλζξαθα είλαη ίζσο ην πην επηηπρεκέλν λέν πξντφλ άλζξαθα πνπ δηαηίζεηαη ζην εκπφξην ηα ηειεπηαία 35 ρξφληα. Η πςειή αληνρή θαη ε αθακςία ηνπο, ζε ζπλδπαζκφ κε ην κηθξφ βάξνο ηνπο, θάλνπλ απηέο ηηο ίλεο ειθπζηηθέο γηα εθαξκνγέο πςεινχ φγθνπ, πνπ θπκαίλνληαη απφ αζιεηηθά είδε κέρξη θαη δνκέο αεξνζθαθψλ. ήκεξα, ίλεο άλζξαθα αλαπηχζζνληαη γηα κηα λέα θαηεγνξία εθαξκνγψλ φπσο ε ζεξκηθή δηαρείξηζε. Όπσο θαη άιια πξντφληα, νη εκπνξηθέο ίλεο άλζξαθα πξέπεη λα παξνπζηάδνπλ ζηαζεξέο κεραληθέο ηδηφηεηεο θαη νη βέιηηζηεο ηδηφηεηεο λα κπνξνχλ λα δηαθέξνπλ γηα θάζε εθαξκνγή. [26] ηνλ γξαθίηε, φπσο πξναλαθέξζεθε, ηα άηνκα άλζξαθα είλαη δηαηεηαγκέλα κε ηελ κνξθή θχιισλ απνηεινχκελα απφ εμαγσληθνχο αξσκαηηθνχο δαθηπιίνπο. Οη ίλεο άλζξαθα είλαη γξαθίηεο ζηνλ νπνίνλ ηα θχιια είλαη καθξηά θαη ιεπηά ζαλ ηαηλίεο. Έλα ζχλνιν απφ ηέηνηεο ηαηλίεο καδί απνηεινχλ κηα ίλα άλζξαθα. Οη ίλεο απηέο δελ ρξεζηκνπνηνχληαη απφ κφλεο ηνπο, αιιά γηα λα εληζρχζνπλ άιια (ζεξκνζηαηηθά) πιηθά φπσο επνμεηδηθέο ξεηίλεο, θαηλνιηθέο ξεηίλεο, θεξακηθά θιπ. Σα πιηθά απηά βξίζθνληαη ζε κεγαιχηεξε αλαινγία ζε ζρέζε κε ην εληζρπηηθφ κέζσ θαη νλνκάδνληαη «κήηξα» ησλ ζχλζεησλ πιηθψλ. Σα εληζρπκέλα κε ίλεο άλζξαθα πιηθά παξνπζηάδνπλ πνιχ πςειέο ηηκέο εηδηθψλ ηδηνηήησλ. [25] Οη ίλεο άλζξαθα παξαζθεπάδνληαη απφ πξφδξνκεο ίλεο δηαθνξεηηθψλ κνξθνινγηψλ, κε ηηο θπξηφηεξεο λα είλαη ίλεο : Πνιπαθξπινληηξηιίνπ (ΡΑΝ) Κπηηαξίλεο (βακβάθη, βηζθόδε) Πίζζαο (πεηξειατθή πίζζα) Οη εκπνξηθέο ίλεο παίξλνπλ ηελ κνξθή ξνιψλ (tow) παξάιιεισλ κνλντλψλ, πνπ απνηεινχληαη απφ 1000 έσο κνλέο ίλεο αλά θισζηή. 8

19 Δηθόλα 3: Δκπνξηθά ξνιά ηλψλ άλζξαθα [27] 2.2 Πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα Ιλώλ Άλζξαθα Σα θπξηφηεξα πιενλεθηήκαηα ησλ ηλψλ άλζξαθα είλαη ε ρακειή ππθλφηεηα, ην ρακειφ εηδηθφ βάξνο (πεξίπνπ ην ¼ ηνπ ράιπβα), ε πςειή αληνρή ζε εθειθπζκφ θαη ε εηδηθή δπζθακςία (ιόγνο ηεο εθειθπζηηθήο αληνρήο ή ηεο δπζθακςίαο πξνο ηελ ππθλόηεηα αληίζηνηρα). Δπηπιένλ, εκθαλίδνπλ ρακειφ ζπληειεζηή ζεξκηθήο δηαζηνιήο, ζεξκηθή ζηαζεξφηεηα ζε πεξηβάιινλ ρσξίο νμπγφλν θαη θαιή αληίζηαζε ζε εξππζκφ. Σέινο, έρνπλ ρεκηθή ζηαζεξφηεηα (ηδηαίηεξα απέλαληη ζηα ηζρπξά νμέα), πςειή ζεξκηθή αγσγηκφηεηα θαη ρακειή ειεθηξηθή αληίζηαζε. Σα κεηνλεθηήκαηα ησλ ηλψλ είλαη ε Αληζνηξνπία (ζην δηακήθε άμνλα ζε ζρέζε κε ηνλ εγθάξζην), ε ρακειή παξακφξθσζε έσο ηε ζξαχζε, ε κηθξή αληνρή ζε ζιίςε ζε ζρέζε κε ηνλ εθειθπζκφ θαζψο θαη ε ηάζε νμείδσζεο θαη κεηαηξνπήο ζε αέξην φηαλ ζεξκαίλνληαη κε αέξα πάλσ απφ 400 C. 2.3 Καηεγνξηνπνίεζε Ιλώλ Άλζξαθα Οη ίλεο άλζξαθα ηνπ εκπνξίνπ θαηεγνξηνπνηνχληαη κε δηάθνξνπο ηξφπνπο. Αξρηθά, ιφγσ ηεο ηηκήο ηνπ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο θαη ηεο αληνρήο ηνπο ζε εθειθπζκφ. Πνιχ πςεινχ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο, Ultra High Modulus (κέηξν ειαζηηθφηεηαο >500 GPa, παξάγνληαη απφ ππξφιπζε ζε ζεξκνθξαζίεο πάλσ απφ 2000 C κε ηαπηφρξνλν ηάλπζκα. Παξάγνληαη απφ ίλεο νη νπνίεο πξνέξρνληαη απφ 9

20 πνιπαθξηινληηξίιην (polyacrylonitrile, PAN) θαζψο θαη ίλεο απφ κεζνθαζηθή πίζζα. Τςεινχ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο, High Modulus (κέηξν ειαζηηθφηεηαο κεηαμχ GPa). Γηα ηελ παξαγσγή ηλψλ κε πςειφ κέηξν ειαζηηθφηεηαο ρξεζηκνπνηνχληαη ίλεο ΡΑΝ θαη ίλεο πίζζαο. Αθνινπζνχλ Μεζαίνπ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο ΙΜ (Intermediate modulus) (κέηξν ειαζηηθφηεηαο κεηαμχ GPa). Xακεινχ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο θαη πςειήο αληνρήο ζε εθειθπζκφ, HT (High Tensile) (κέηξν ειαζηηθφηεηαο < 100GPa, αληνρή ζε εθειθπζκφ > 3 GPa) θαη ηέινο πνιχ πςειήο αληνρήο ζε εθειθπζκφ, Super High Tensile (αληνρή ζε εθειθπζκφ πάλσ απφ 4500 MPa). Παξαζθεπάδνληαη απφ ίλεο PAN, ζπλήζσο απφ ίλεο HT, κε ζεκαληηθή δηαθνξά ηελ δηάκεηξν πνπ είλαη 4-6 κm έλαληη ησλ 8-10 κm. Έλαο άιινο ηξφπνο θαηεγνξηνπνίεζεο ζρεηίδεηαη κε ην πξφδξνκν πιηθφ ησλ ηλψλ. Οη ίλεο άλζξαθα ρσξίδνληαη ζε ίλεο βαζηζκέλεο ζε ΡΑΝ, πίζζα, κεζνθαζηθή πίζζα, ηζνηξνπηθή πίζζα, κε πξφδξνκν πιηθφ ηελ θπηηαξίλε θαζψο θαη ίλεο αλεπηπγκέλεο ζε αέξηα θάζε (Gas phase grown carbon fibers). Σέινο, δηαθξίλνληαη αλάινγα κε ηε δηαδηθαζία παξαζθεπήο ηνπο ζε ίλεο πςειψλ ζεξκνθξαζηψλ ηχπνπ ΗHΣ (High heat treated), νη νπνίεο έρνπλ ππνζηεί ζεξκηθή επεμεξγαζία κεηά ηελ αλζξαθνπνίεζε ζε ζεξκνθξαζία πάλσ απφ 2300 Κ γηα λα απμεζεί ν επηζπκεηφο πξνζαλαηνιηζκφο ηεο ίλαο. Ίλεο άλζξαθα ελδηάκεζσλ ζεξκνθξαζηψλ ηχπνπ ΙΗΣ (Intermediate heat treated), νη νπνίεο έρνπλ ππνζηεί ζεξκηθή επεμεξγαζία κεηά ηελ αλζξαθνπνίεζε ζε ηειηθή ζεξκνθξαζία πάλσ απφ 1550 Κ, αιιά θάησ απφ 2300 Κ, κε ζθνπφ ηελ ειαθξηά βειηίσζε ηνπ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο ρσξίο ζεκαληηθή κείσζε ηεο αληνρήο ζε εθειθπζκφ. Δπηπιένλ, ζε ίλεο άλζξαθα ρακειψλ ζεξκνθξαζηψλ ηχπνπ LHΣ (Low heat treated), νη νπνίεο έρνπλ αλζξαθνπνηεζεί κέρξη ηνπο 1500 Κ ψζηε λα εκπνδίζεη ηε δεκηνπξγία θξπζηαιιηθήο (lattice) δνκήο πξνζδίλνληαο έηζη πςειέο ηηκέο αληνρήο. Απηέο νη ίλεο είλαη νη πην δηαδεδνκέλεο γηα ηελ ελίζρπζε πνιπκεξηθήο κήηξαο. Δλεξγφο ηλψδεο άλζξαθαο (Fibrous activated carbon), ν νπνίνο είλαη ελεξγφο άλζξαθαο κε ηε κνξθή ηλψλ, λεκάησλ θαη πθαζκάησλ. Έρεη κεγάιε επηθάλεηα θαη πςειφ πνξψδεο αιιά ρακειέο κεραληθέο ηδηφηεηεο. 10

21 2.4 Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα Γεληθά γηα ηελ παξαγσγή ησλ ηλψλ άλζξαθα αθνινπζείηαη ε παξαθάησ δηαδηθαζία ηα ζηάδηα ηεο νπνίαο είλαη: 1) Νεκαηνπνίεζε: Δίλαη κνξθή νμείδσζεο γηα ηελ παξαγσγή κηαο πξφδξνκεο έλσζεο. 2) ηαζεξνπνίεζε ηεο ίλαο: Η νπνία ηελ πξνζηαηεχεη απφ πηζαλή ηήμε, ιφγσ ησλ πςειψλ ζεξκνθξαζηψλ πνπ επηθξαηνχλ θαηά ηελ δηάξθεηα ηεο επεμεξγαζίαο. 3) Αλζξαθνπνίεζε: Καηά ηελ δηάξθεηα ηεο αλζξαθνπνίεζεο πξαγκαηνπνηείηαη απνκάθξπλζε ησλ αλφξγαλσλ πιηθψλ θαη ησλ αιεηθαηηθψλ αλζξαθηθψλ αιπζίδσλ, ελψ παξακέλεη ε ίλα απνηεινχκελε απφ γξαθηηηθά επίπεδα ζε κνξθή πιέγκαηνο εμαγσληθψλ θπςειίδσλ. 4) Γξαθηηνπνίεζε: Καηά ηελ δηάξθεηα ηεο γξαθηηνπνίεζεο ε νπνία πξαγκαηνπνηείηαη ζε πνιχ πςειή ζεξκνθξαζία ε ίλα απνθηά ηηο ηειηθέο ηδηφηεηεο νη νπνίεο ζρεηίδνληαη κε ηηο πνιχ πςειέο αληνρέο. [28] Δηθόλα 4: Γηαδηθαζία παξαγσγήο ηλψλ άλζξαθα. [29] Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από θπηηαξίλε Η θπηηαξίλε (Rayon) είλαη έλα θπζηθφ πνιπκεξέο ην νπνίν ζπρλά ζπλαληάηαη ζε κνξθή ηλψλ. ηελ πξαγκαηηθφηεηα, νη βακβαθεξέο ίλεο, νη νπνίεο είλαη ίλεο 11

22 θπηηαξίλεο, ήηαλ νη πξψηεο πνπ ελαλζξαθψζεθαλ. Ο Th. Edison ήηαλ ν πξψηνο πνπ ην εθήξκνζε, γηα λα παξάγεη βακβαθεξά λήκαηα γηα κία ιάκπα ππξαθηψζεσο. Η θπηηαξίλε είλαη έλα ζεξκνζθιεξπλφκελν πνιπκεξέο. Η δηαδηθαζία πνπ αθνινπζείηαη γηα ηελ κεηαηξνπή ηεο θπηηαξίλεο ζε ίλεο άλζξαθα πεξηιακβάλεη ηα εμήο βήκαηα: Ι) Η ζηαζεξνπνίεζε είλαη κία νμεηδσηηθή δηεξγαζία πνπ πεξηιακβάλεη ηα αθφινπζα ζηάδηα: 1. Απνκάθξπλζε ηεο θπζηθήο πγξαζίαο ηεο ίλαο ζε ζεξκνθξαζία C 2. Αθπδάησζε ησλ ηλψλ θπηηαξίλεο ζε ζεξκνθξαζία C 3. πάζηκν ηεο δνκήο ηεο θπηηαξίλεο κε ηαπηφρξνλε έθιπζε λεξνχ, κνλνμεηδίνπ θαη δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα ζε ζεξκνθξαζία C. 4. ρεκαηηζκφο αξσκαηηθψλ δαθηπιίσλ. ΙΙ) Η αλζξαθνπνίεζε πξαγκαηνπνηείηαη ζε ζεξκνθξαζίεο απφ C φπνπ ππεξηζρχεη ε δεκηνπξγία ζηηβάδσλ παξφκνησλ ηνπ γξαθίηε. ΙΙΙ) Η γξαθηηνπνίεζε πξαγκαηνπνηείηαη ζηνπο C κε εθαξκνγή ηάζεο. Καηά ηνλ ζρεκαηηζκφ ηεο γξαθηηηθήο δνκήο θαηαζηξέθεηαη ν πξνζαλαηνιηζκφο ηεο ίλαο θπηηαξίλεο θαη ε γξαθηηηθή ίλα πνπ πξνθχπηεη δελ παξνπζηάδεη πξνζαλαηνιηζκφ. ΙV) Δθαξκνγή ηάζεο θαηά ηελ δηάξθεηα ηεο γξαθηηνπνίεζεο V) Η δηαδηθαζία ηεο αλζξαθνπνίεζεο πεξηιακβάλεη ζέξκαλζε ζηνπο 1000 C ζε πεξηβάιινλ αδψηνπ. VI) Η δηαδηθαζία ηεο γξαθηηνπνίεζεο πξαγκαηνπνηείηαη ζε ζεξκνθξαζία 3000 C. ήκεξα δελ παξάγνληαη ίλεο άλζξαθα κε βάζε ηελ θπηηαξίλε. Απηφ νθείιεηαη αθελφο ζηελ ρακειή απφδνζε ηεο παξαγσγήο ηλψλ άλζξαθα απφ θπηηαξίλε (20-30% απφ θπηηαξίλε ζε ζρέζε κε ηελ παξαγσγή ηλψλ άλζξαθα απφ PAN φπνπ ε απφδνζε θπκαίλεηαη ζην 55%). Έλα αθφκε κεηνλέθηεκα ηεο παξαγσγήο ηλψλ άλζξαθα απφ θπηηαξίλε απνηειεί ην γεγνλφο φηη ν πξνζαλαηνιηζκφο ησλ γξαθηηηθψλ ζηνηβάδσλ γίλεηαη θαηά ηελ γξαθηηνπνίεζε, ε νπνία πξαγκαηνπνηείηαη ζε ζεξκνθξαζίεο πάλσ απφ 2000 C, ζε αληίζεζε κε ηηο ίλεο απφ πνιπαθξπινληηξίιην φπνπ ν πξνζαλαηνιηζκφο κε ηάλπζκα γίλεηαη θαηά ην ζηάδην ηεο ζηαζεξνπνίεζεο ζε ζεξκνθξαζίεο C. [30] 12

23 2.4.2 Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από Πνιπαθξπινληηξίιην ηελ ζεκεξηλή αγνξά ηλψλ άλζξαθα θπξηαξρνχλ νη ίλεο απφ ΡΑΝ (πνιπαθξπινληηξίιην) απέλαληη ζηηο άιιεο ίλεο. Κχξην πιενλέθηεκα ησλ ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην ΡΑΝ είλαη ε πςειή ηηκή κέγηζηεο παξακφξθσζε ηνπο (ε=3% γηα Ε=220 GPa) πνπ είλαη ζαθψο κεγαιχηεξε απφ απηή κε βάζε ηελ θπηηαξίλε (ε=0.8%). Απηή ε ηδηφηεηα επηδξά ζεηηθά ζηελ αληνρή θξνχζεσο ησλ ζχλζεησλ πιηθψλ πνιπκεξηθήο κήηξαο εληζρπκέλεο κε ίλεο άλζξαθα. Σν βαζηθφ ραξαθηεξηζηηθφ ησλ ηλψλ απηψλ είλαη ην πνιχ πςειφ κέηξν ειαζηηθφηεηαο (> 450 GPa) θαη ε πνιχ πςειή αληνρή εθειθπζκνχ (πςειφηεξε απφ 3 GPa) ρσξίο νη ίλεο λα πξέπεη λα επηκεθπλζνχλ θαηά ηελ αλζξαθνπνίεζε, φπσο γίλεηαη κε ηηο ίλεο άλζξαθα κε βάζε ηελ θπηηαξίλε. Η παξαγσγή ησλ ηλψλ απηψλ πεξηιακβάλεη ηα εμήο ζηάδηα: Ι) Ομείδσζε/ηαζεξνπνίεζε Η δηαδηθαζία ηεο νμείδσζεο/ζηαζεξνπνίεζεο απνηειεί έλα νπζηαζηηθφ βήκα γηα ηελ παξαγσγή ηλψλ άλζξαθα πςειήο πνηφηεηαο θαζψο επεξεάδεη ηηο ηειηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ. Όπσο αλαθέξζεθε θαη παξαπάλσ ζπλήζσο ην ζηάδην απηφ είλαη ε ζεξκηθή επεμεξγαζία ησλ ηλψλ πνιπαθξηινληηξηιίνπ (νκνπνιπκεξνύο ή ζπκπνιπκεξνύο) ζε πεξηβάιινλ αέξα (ή νμπγόλν), ζε ζεξκνθξαζία κέρξη 300 C κε νμείδσζε. Η επεμεξγαζία απηή κπνξεί λα γίλεη ζε δχν βήκαηα. Σν πξψην βήκα κέρξη ηνπο 240 C (δειαδή ζε ζεξκνθξαζίεο ρακειφηεξεο απφ εθείλε ζηελ νπνία εκθαλίδεηαη ε εμψζεξκε αληίδξαζε ηεο θπθινπνίεζεο ησλ νκάδσλ ληηξηιίνπ). Αθνινπζεί ην δεχηεξν βήκα κέρξη πεξίπνπ ηνπο 300 C, ην νπνίν θαη νδεγεί ζε θπθινπνίεζε ησλ θπαλνκάδσλ. Έηζη ν ηξηπιφο δεζκφο C N κεηαηξέπεηαη ζε δηπιφ δεζκφ C N δίλνληαο ηε κνξθή αλεκφζθαιαο (ladder polymer). [31] Η πην ζεκαληηθή αληίδξαζε πνπ γίλνληαη ζηε θάζε απηή είλαη ε θπθινπνίεζε. Η θπθινπνίεζε επεξεάδεηαη απφ πνιινχο παξάγνληεο, φπσο νη θπζηθέο ηδηφηεηεο ηνπ πνιπκεξνχο, ηα πξφζζεηα θαη ηα ζπκπνιπκεξή πνπ ελδερνκέλσο ζπκκεηέρνπλ ζηε δνκή ηεο αξρηθήο ίλαο. Η αληίδξαζε απηή ζπλνδεχεηαη απφ κείσζε ηνπ βάξνπο θαη αληηδξάζεηο ζράζεσο δεζκψλ κε δεκηνπξγία 13

24 κηθξψλ πνζνηήησλ πδξνθπαλίνπ, πνπ νθείιεηαη ζε απφζπαζε νκάδσλ ληηξηιίνπ πνπ δελ έρνπλ θπθινπνηεζεί. Καηά ηε δηάξθεηα ηεο νμείδσζεο/ζηαζεξνπνίεζεο παξαηεξείηαη ηζρπξή εμψζεξκε αληίδξαζε (6-7 Kcal/mol κνλνκεξνύο) κε έληνλε έθιπζε ζεξκφηεηαο, ηδηαίηεξα ζε ζεξκνθξαζία C, κε θίλδπλν νη νκάδεο θπαλίνπ λα γίλνπλ εθξεθηηθέο θαη ε ίλα λα θαεί. Γηα ηελ απνθπγή απηνχ ηνπ θαηλνκέλνπ απαηηείηαη παξακνλή ηεο ίλαο ζε ήπηεο ζπλζήθεο, πεξίπνπ 200 C γηα αξθεηφ ρξφλν. Απηφ βνεζά ζην λα ζηαζεξνπνηεζεί ε ίλα θαη λα απνθηήζεη ραξαθηεξηζηηθφ καχξν ρξψκα θαη αλζεθηηθφηεηα ζηε θιφγα. Θεξκνθξαζίεο ρακειφηεξεο ησλ 200 C ζεσξνχληαη αθαηάιιειεο δηφηη απαηηνχληαη κεγαιχηεξνη ρξφλνη νμείδσζεο. Δλψ ζεξκνθξαζίεο πςειφηεξεο ησλ 300 C πξνθαινχλ έληνλεο εμψζεξκεο αληηδξάζεηο κε απνηέιεζκα ηε ζεκαληηθή κείσζε ηνπ βάξνπο ηεο ίλαο. Η πξνθαηαξθηηθή δηαβξνρή ηεο ίλαο ζε δηαιχκαηα νμέσλ (ζεηηθνύ, ληηξηθνύ, νμηθνύ θαη θνξκηθνύ) απμάλεη ην ξπζκφ θπθινπνίεζεο θαη ηελ αληνρή ηεο ηειηθήο ίλαο άλζξαθα, ελψ παξάιιεια κεηψλεη ηελ έθιπζε δηαβξσηηθψλ αεξίσλ (HCN). Δλψζεηο θσζθφξνπ θαη βνξίνπ πξνζδίλνπλ ζηελ ίλα απμεκέλε ζηαζεξνπνίεζε θαηά ηελ νμείδσζε θαζψο θαη πςειή ειεθηξηθή αγσγηκφηεηα. Σέινο, ζεκαληηθφ ξφιν παίδεη θαη εδψ ην νμπγφλν, ην νπνίν αξρηθά πξνθαιεί έλαξμε ηεο αληίδξαζεο ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο. Με απηφ ηνλ ηξφπν κεηψλεηαη ν θίλδπλνο θάπνηνπ εμψζεξκνπ θαηλνκέλνπ θαη επηπιένλ επαλαπξνζδηνξίδεηαη ε αληίδξαζε, βνεζψληαο έηζη ζηε ζηαζεξνπνίεζε ηεο δνκήο ηνπ πνιπκεξνχο. [30] Δηθόλα 5: ηε δηπιαλή θσηνγξαθία παξνπζηάδεηαη ην πξφδξνκν πιηθφ πνπ εμέξρεηαη απφ ηνπο θνχξλνπο νμείδσζεο. [40] 14

25 ΙΙ) Αλζξαθνπνίεζε Η αλζξαθνπνίεζε γίλεηαη ππφ αδξαλή αηκφζθαηξα, ζπλήζσο αδψηνπ (ζε πνιύ κηθξόηεξε θιίκαθα ρξεζηκνπνηνύληαη αηκόζθαηξεο άιισλ αεξίσλ όπσο π.ρ. Η2, αξγνύ, πδξαηκώλ, αηκώλ HCl ή ζε θελό) θαη ζε ζεξκνθξαζίεο απφ 300 έσο 1600 C. Οη ζπλζήθεο ηεο αλζξαθνπνίεζεο θαη θπξίσο ε ζεξκνθξαζία επηιέγνληαη αλάινγα κε ηηο επηζπκεηέο ηδηφηεηεο ηνπ ηειηθνχ πξντφληνο. ε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο ππξφιπζεο ζπλερίδνληαη νη αληηδξάζεηο θπθινπνίεζεο θαη αθπδξνγφλσζεο. Απφ ηηο νμεηδσκέλεο ίλεο ΡΑΝ δεκηνπξγνχληαη θπξίσο NH 3 θαη HCN (~500 C), κε ην ηειεπηαίν λα παξάγεηαη απφ ηα κε θπθινπνηεκέλα ηκήκαηα ηλψλ. ηνπο 700 C ζρεκαηίδεηαη Η 2 θαη HCN απφ ηελ δηακνξηαθή ζπκπχθλσζε αξσκαηηθψλ δνκψλ. Πάλσ απφ ηνπο 800 C ζρεκαηίδεηαη Ν 2, ην νπνίν πξνέξρεηαη απφ εηεξνθπθιηθέο ελψζεηο. Δπίζεο, θαηά ηε δηάξθεηα ηεο αλζξαθνπνίεζεο εθιχνληαη H 2 O, CO θαη CO 2 φπσο θαη κηθξέο πνζφηεηεο CH 4. Ο ξπζκφο ζέξκαλζεο θαη ε δηάξθεηα ηεο αλζξαθνπνίεζεο πνηθίινπλ αλάινγα κε ηνλ ηχπν ησλ πξφδξνκσλ ηλψλ θαη ηελ ζηαζεξνπνίεζε πνπ έρεη πξνεγεζεί. ηε δεχηεξε απηή θάζε φια ηα εηεξνάηνκα απνζπψληαη θαη απνβάιινληαη. Η ηειηθή ίλα άλζξαθα πεξηέρεη πεξηζζφηεξν απφ 99% ζε άλζξαθα. Η απψιεηα ηνπο φκσο ζπλνδεχεηαη απφ κείσζε ηνπ βάξνπο ηνπ άλζξαθα, θαζψο ζρεκαηίδνληαη πηεηηθέο ελψζεηο φπσο HCN, CO 2, CO θαη CH 4. Γεληθά, κφλν ην 50% ηνπ αξρηθνχ βάξνπο ηεο πξφδξνκεο ίλαο θαηαιήγεη ζε ίλα άλζξαθα (ε πεξηεθηηθόηεηα ηεο ίλαο ΡΑΝ ζε άλζξαθα είλαη 68%). Η αλζξαθνπνίεζε επηηπγράλεηαη ζε κηθξνχο ρξφλνπο ζε αληίζεζε κε ηε ζηαζεξνπνίεζε, ε νπνία ρξεηάδεηαη πνιχ ρξφλν (4 κε 24 ώξεο) γηα λα είλαη επηηπρήο. Δλδεηθηηθά αλαθέξεηαη φηη ζε κηα δηαδηθαζία ζπλερνχο έξγνπ ζηνπο 1400 C ν ρξφλνο πνπ απαηηείηαη είλαη ιίγα ιεπηά (πεξίπνπ 30 ιεπηά). [30,32] ΙΙΙ) Γξαθηηνπνίεζε Η γξαθηηνπνίεζε γίλεηαη κφλν γηα ηελ παξαγσγή ηλψλ άλζξαθα πςεινχ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο. Η ζεξκηθή επεμεξγαζία κπνξεί λα θηάζεη ζε ζεξκνθξαζίεο κέρξη θαη ηνπο 3000 C (ζπλήζσο ε γξαθηηνπνίεζε γίλεηαη ζηνπο 2500 C) ππφ θελφ ή παξνπζία αδξαλνχο αεξίνπ. Ωο αδξαλέο αέξην ρξεζηκνπνηείηαη ζρεδφλ απνθιεηζηηθά ην αξγφ, επεηδή ην άδσην πάλσ απφ ηνπο 2500 C παξνπζία άλζξαθα ζρεκαηίδεη δηθπάλην (CN) 2. 15

26 Η γξαθηηνπνίεζε ζε ζεξκνθξαζίεο πάλσ απφ 2500 C δίλεη ίλεο κε πνιχ πςειφ κέηξν ειαζηηθφηεηαο, ελψ κε απηή ηε δηαδηθαζία κεηψλεηαη ε αληνρή ζε ηάζε εθειθπζκνχ. Πεξαηηέξσ αχμεζε ηνπ κέηξνπ ειαζηηθφηεηαο κπνξεί λα επηηεπρζεί κε επηπιένλ ηάλπζκά ή έθηαζε ησλ ηλψλ άλζξαθα, νη νπνίεο ζε απηή ηε ζεξκνθξαζηαθή πεξηνρή κπνξνχλ λα ππνζηνχλ πιαζηηθή κνξθνπνίεζε (θπξίσο γηα ίλεο άλζξαθα από πξόδξνκν πιηθό ηελ θπηηαξίλε). Οη ίλεο άλζξαθα πνπ έρνπλ ππνζηεί γξαθηηνπνίεζε νλνκάδνληαη θαη γξαθηηηθέο ίλεο (κόλν ε δνκή ηνπο όκσο πξνζνκνηάδεη πξνο ηε δνκή ηνπ γξαθίηε). Η ρξνληθή δηάξθεηα ηεο θάζεο απηήο είλαη κηθξφηεξε ησλ ππνινίπσλ δχν. [32] Δπηθαλεηαθή επεμεξγαζία ηλώλ άλζξαθα από PAN ηηο ίλεο άλζξαθα, νη νπνίεο πξνέξρνληαη απφ πνιπαθξπινληηξίιην, παίδεη ζεκαληηθφ ξφιν ε επηθαλεηαθή επεμεξγαζία ηνπο. Απηή κπνξεί λα επηηεπρζεί κε ρεκηθέο, ειεθηξνρεκηθέο ή κε ηερληθέο πιάζκαηνο. Με ηηο ηερληθέο απηέο επηηπγράλεηαη αχμεζε ηεο επηθαλεηαθήο ηξαρχηεηαο κε ζθνπφ λα βειηηψζεη ηε δηαζχλδεζε κεηαμχ ηλψλ θαη κήηξαο ηνπ ζχλζεηνπ πιηθνχ. Ο επηθαλεηαθφο δεζκφο κεηαμχ ησλ ηλψλ άλζξαθα θαη ηεο ζεξκνζθιεξπλφκελεο ξεηίλεο απμάλεηαη, θαζψο ζηελ επηθάλεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα δεκηνπξγνχληαη επαθέο/αγθπξψζεηο κεηαμχ ησλ ηλψλ θαη ηεο κήηξαο. Η ηερληθή ηεο ηξνπνπνίεζεο ηεο επηθάλεηαο ησλ ηλψλ άλζξαθα κε πιάζκα πξαγκαηνπνηείηαη ζε αηκφζθαηξα αξγνχ ή νμπγφλνπ. Η επεμεξγαζία κε πιάζκα ζε αηκφζθαηξα νμπγφλνπ έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ απνκάθξπλζε αηφκσλ άλζξαθα ππφ κνξθή κνλνμεηδίνπ ή δηνμεηδίνπ, ελψ επηδηνξζψλεη ζθάικαηα ηεο επηθάλεηαο ειαηηψλνληαο ηπρφλ αηέιεηεο ηεο επηθάλεηαο ησλ ηλψλ άλζξαθα. Η ηερληθή γηα λα παξαρζνχλ ίλεο άλζξαθα πνπ παξνπζηάδνπλ πνιχ θαιέο ηθαλφηεηεο ζχδεπμεο κε ξεηίλεο, είλαη ε επεμεξγαζία απηψλ κε νμείδσζε ζε πδαηηθά δηαιχκαηα νμέσλ. Σέηνηα δηαιχκαηα είλαη ην ζετθφ, πδξνρισξηθφ, ληηξηθφ ή αθφκα θαη άιαηα ησλ νμέσλ. Η ειεθηξνρεκηθή νμείδσζε είλαη ζρεηηθά θζελή κέζνδνο, εχθνια ειεγρφκελε, κε πεξηνξηζκέλεο πνζφηεηεο απνβιήησλ. Σν θπξηφηεξν απφ εκπνξηθήο πιεπξάο είλαη ε πην δηαδεδνκέλε πξαθηηθή εθαξκνγήο γηαηί επηηξέπεη ζπλερή ξνή ησλ ηλψλ άλζξαθα. Η κέζνδνο απηή πέξα ηεο βειηίσζεο ησλ ηθαλνηήησλ ζχδεπμεο ησλ 16

27 ηλψλ άλζξαθα πξνζδίδεη ζε απηέο αληνρή ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο θαη ζηελ νμείδσζε. ηελ ειεθηξνρεκηθή επεμεξγαζία ηλψλ άλζξαθα ρξεζηκνπνηνχληαη νμέα, φπσο ζετθά, ληηξηθά, πδξνρισξηθά, θσζθνξηθά, θαη άιαηα απηψλ ή θαη κείγκαηα αιάησλ θαη νμέσλ. Ακκσληαθά άιαηα ζετθνχ νμέσο ρξεζηκνπνηνχληαη επξχηαηα γηα ηελ δηαδηθαζία ηεο επηθαλεηαθήο επεμεξγαζίαο ησλ ηλψλ άλζξαθα. Η νμείδσζε ησλ ηλψλ άλζξαθα, δειαδή ε πξνζζήθε αηφκσλ νμπγφλνπ, πξνζδίδεη ζηελ επηθάλεηα ησλ ηλψλ ρεκηθνχο δεζκνχο γηα θαιχηεξε πξφζθπζε, θαζψο θαη ηξαρχηεηα ηεο επηθάλεηαο, ελψ ζπγρξφλσο απμάλεηαη ε ειεχζεξε επηθάλεηα κε αχμεζε ησλ ελεξγψλ ρεκηθψλ νκάδσλ, φπσο ηα θαξβνμπιηθά νμέα. Η ειεθηξνιπηηθή επεμεξγαζία ησλ ηλψλ άλζξαθα απφ έλα ζεκείν θαη πέξα ειαηηψλεη ηηο αληνρέο ησλ ηλψλ άλζξαθα ζε κεραληθή θαηαπφλεζε, θαζψο θαη ηελ αληνρή ζε ζεξκηθή νμείδσζε. Δηθόλα 6: Γξακκή παξαγσγήο ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην ΡΑΝ. [42] Παξαγσγή ηλώλ άλζξαθα από πίζζα Οη ίλεο άλζξαθα απηνχ ηνπ ηχπνπ κπνξνχλ λα παξαζθεπαζζνχλ απφ πίζζα δηαθφξσλ κνξθψλ, φπσο πεηξειατθή άζθαιην, ιηζαλζξαθφπηζζα ή ππνιείκκαηα PVC. Η παξαγσγή ηλψλ άλζξαθα πνπ βαζίδεηαη ζε κίγκαηα πδξνγνλαλζξάθσλ, φπσο ε πεηξειατθή πίζζα, αθνινπζεί ηα παξαθάησ ζηάδηα. 17

28 Αξρηθά, έρνπκε ζεξκηθή επεμεξγαζία πάλσ απφ 350 C, φπνπ ηα πιηθά απηά κεηαηξέπνληαη ζε κεζνθαζηθή πίζζα, ε νπνία είλαη αληζφηξνπε θαη πεξηέρεη ηκήκαηα πγξψλ θξπζηάιισλ. Αθνινπζεί ην ζηάδην ηεο λεκαηνπνίεζεο θαη νη ίλεο ιφγσ ησλ πδξνδπλακηθψλ θαηλνκέλσλ απνθηνχλ κεγάινπ βαζκνχ αμνληθφ πξνζαλαηνιηζκφ. ηε ζπλέρεηα, έρνπκε ζηαζεξνπνίεζε θαη αλφπηεζε ζηνπο 2000 C. Με απηφ ηνλ ηξφπν έρνπκε ηελ κεηαηξνπή ηνπο ζε άλζξαθα κε ηνλ ίδην ή βέιηηζην πξνζαλαηνιηζκφ. Έηζη παξαζθεπάδνληαη ίλεο κε πνιχ κεγάιν κέηξν ειαζηηθφηεηαο κέρξη θαη 735 MPa. Ωζηφζν, απηέο νη ίλεο ζπγθξηλφκελεο κε ηηο ίλεο απφ πνιπαθξηινληηξίιην έρνπλ κηθξφηεξεο αληνρέο ζηελ ηάζε (~ 2000 MPa). Σέινο, έρνπκε ζεξκηθή επεμεξγαζία ζε ζεξκνθξαζίεο κέρξη 3000 C. Δδψ έρνπκε αλαθαηάηαμε πνπ κνηάδεη κε απνθξπζηάιισζε, ε νπνία εληζρχεηαη κε ηαπηφρξνλν ηάλπζκα ηεο ίλαο. Απφ ηηο ίλεο άλζξαθα πνπ πξνέξρνληαη απφ πίζζα, κφλν απηέο απφ ηε κεζνθαζηθή πίζζα νδεγνχλ ζε ίλεο άλζξαθα, θαηάιιειεο γηα ηελ ρξήζε σο κέζσ ελίζρπζεο. Η κέζνδνο παξαγσγήο ηλψλ άλζξαθα απφ πίζζα ζε ζχγθξηζε κε εθείλε απφ ΡΑΝ είλαη θζελφηεξε. Όκσο, νη ίλεο απφ πίζζα παξνπζηάδνπλ ζρεηηθά θησρέο κεραληθέο ηδηφηεηεο, εθηφο θαη αλ είλαη παξαζθεπαζκέλεο απφ εμαηξεηηθά θαζαξή κεζνθαζηθή πίζζα. [33] Δηθόλα 7: ρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ηεο δηαδηθαζίαο ηλνπνίεζεο ηήγκαηνο (melt-spinning) γηα ηελ παξαγσγή ηλψλ κεζνθαζηθήο πίζζαο. [35] 18

29 Κεθάιαην 3: Γνκή θαη ηδηόηεηεο ηλώλ άλζξαθα 3.1 Γνκή ηλώλ άλζξαθα ΡΑΝ Πξσηνπνξηαθέο κειέηεο απφ ηνπο Diefendorf θαη Tokarsky (1975) αιιά θαη απφ ηνλ Johnson (1987), έδεημαλ φηη ε δνκή ησλ ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην PAN είλαη ηληδηθήο θχζεο, πνπ κηκείηαη ηε βαζηθή δνκή ηεο πξφδξνκεο πνιπκεξήο ίλαο. Ο Diefendorf θαη Tokarsky έδεημαλ επίζεο φηη ην πιάηνο ησλ θπκαηηζκψλ ζηελ ηλψδε δνκή ήηαλ πςειφηεξν ζην θέληξν θαη ρακειφηεξν θνληά ζηελ επηθάλεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην PAN. [34,36] Δηθόλα 8: Μνληέιν δνκήο ηλψλ άλζξαθα θαηά Diefendorf. [34] ε κειέηε ησλ Huang θαη Young (1995) επηβεβαηψζεθε απηή ε δνκηθή δηαθνξά επηθάλεηαο - ππξήλα ζε ίλεο άλζξαθα κε βάζε PAN, κε ηε ρξήζε Φαζκαηνζθνπίαο Raman. [37] Ακθφηεξνη νη Johnson (1987) θαη Endo (1988) ρξεζηκνπνίεζαλ δηάζιαζε αθηίλσλ-υ γηα λα δείμνπλ φηη ηα επίπεδα ζηξψκαηα ησλ ηλψλ άλζξαθα δελ έρνπλ ηξηζδηάζηαηε ζπκκεηξηθή δηάηαμε. Δπίζεο, ππνβάιινληαο δηακήθεηο θαη εγθάξζηεο ηνκέο ζε πεξίζιαζε αθηίλσλ-υ ππφ κηθξέο γσλίεο θαη ειεθηξνληθήο κηθξνζθνπίαο (Transmission Δlectron Μicroscopy, ΣΔΜ), ν Johnson (1987) έδεημε φηη ππάξρνπλ βεινλνεηδνχο ζρήκαηνο θελά κεηαμχ ησλ θξπζηαιιηηψλ ζην εμσηεξηθφ ηεο ίλαο. 19

30 Δπηπξνζζέησο, έδεημε φηη ζε απηήλ ηελ πεξηνρή, ηα ζηξψκαηα είλαη νπζηαζηηθά παξάιιεια πξνο ηελ επηθάλεηα. [36,38] Ωζηφζν, ζηελ πεξηνρή ηνπ ππξήλα, δηαπίζησζε φηη ηα επίπεδα ζηξψκαηα ήηαλ δηπισκέλα εθηελψο, κε ηηο πεξηζζφηεξεο θνξέο λα ζρεκαηίδνπλ γσλίεο 180. Με βάζε απηά ηα απνηειέζκαηα, αλαπηχρηεθε ε ηξηζδηάζηαηε ζρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε ηεο κηθξνδνκήο ησλ ηλψλ άλζξαθα απφ PAN πνπ θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα. Ο Guigon (1984) πξφζζεζε φηη ε κηθξνδνκή ησλ ηλψλ άλζξαθα PAN είλαη αθφκε πην πεξίπινθε απφ ην κνληέιν ηνπ Johnson. [39] Δηθόλα 9: Μηθξνδνκή ίλαο άλζξαθα απφ ΡΑΝ (Johnson (1987)) [35] Όπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, νη θξπζηαιιίηεο εληφο ησλ ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην PAN δελ είλαη ηέιεηα επζπγξακκηζκέλνη, αιιά ζπρλά παξνπζηάδνπλ πεξίπινθνπο πξνζαλαηνιηζκνχο (εηθόλα 10). Όηαλ κηα ηάζε εθαξκφδεηαη παξάιιεια πξνο ηνλ άμνλα ηεο ίλαο, θαη ε έληαζε είλαη επαξθήο, νη θξπζηαιιίηεο κε πεξίπινθν πξνζαλαηνιηζκφ ζα αζηνρήζνπλ (εηθόλα 10c). Αθφκε θαη αλ νη θξπζηαιιίηεο πνπ ζα αζηνρήζνπλ είλαη κηθξφηεξνη απφ ην θξίζηκν κέγεζνο κπνξεί λα έρνπκε αζηνρία ηεο ίλαο, αλ ε ξσγκή επεξεάζεη θαη ηνπο γεηηνληθνχο θξπζηαιιίηεο. 20

31 Δηθόλα 10: Μεραληζκφο αζηνρίαο ζε εθειθπζκφ ηλψλ άλζξαθα. a) θνηλφο θξπζηαιιίηεο αλάκεζα ζε δχν θξπζηαιιίηεο κε πξνζαλαηνιηζκφ παξάιιειν πξνο ηνλ άμνλα ησλ ηλψλ, b) εθαξκνγή ηάζεο θαη εκθάληζε ξσγκήο ζηελ δηεχζπλζε La, c) ζπάζηκν ηνπ θνηλνχ θξπζηαιιίηε θαη αζηνρία ηεο ίλαο. [35] 3.2 Γνκή ηλώλ άλζξαθα Πίζζαο Οη ίλεο απφ κεζνθαζηθή πίζζα έρνπλ αμνληθφ κνξηαθφ πξνζαλαηνιηζκφ πνπ δεκηνπξγείηε φηαλ ην θξπζηαιιηθφ πξφδξνκν πγξφ ξέεη θαη επεθηείλεηαη θαηά ην ζρεκαηηζκφ ηλψλ. Δθηφο απφ ηελ πεξίπησζε ραιάξσζε θαηά ηε δηάξθεηα ζεξκνζθιήξπλζεο, απηή ε εγθάξζηα κηθξνδνκή θαη ν αμνληθφο πξνζαλαηνιηζκφο ηειεηνπνηείηε θαηά ηε δηάξθεηα ηεο απαλζξάθσζε. Η εγθάξζηα ηνκή ησλ πξψηκσλ εκπνξηθέο ίλεο άλζξαθα πίζζαο ήηαλ είηε αθηηλσηή είηε επίπεδεο ζηξψζεο (Εηθόλα 11). Έηζη, θαηά ηελ εγθάξζηα δηεχζπλζε ηα επίπεδα γξαθίηε είλαη αθηηλσηά εμσηεξηθά ηνπ θέληξνπ ηεο ίλαο, ελψ ζηελ αμνληθή θαηεχζπλζε ηα ζηξψκαηα ηείλνπλ λα επζπγξακκηζηνχλ παξάιιεια πξνο ηνλ άμνλα ηεο. Όπσο απνδεηθλχεηαη απφ ηνπο Bright θαη Singer (1979), ε εγθάξζηα δνκή κπνξεί λα επεξεάζεη ηελ αλζξαθνπνίεζε ησλ ηλψλ. Αλ θαη απηή ε πξψηκε κειέηε δελ απνθάιπςε πψο ζα κπνξνχζε λα κεηαβάιιεηαη ε δνκή ηνπο, ζε έλα κεηαγελέζηεξν δίπισκα επξεζηηερλίαο (Nazem, 1984) απνθαιχπηεηαη φηη νη ίλεο κε ηπραία εγθάξζηα δνκή κπνξνχλ λα παξάγνληαη κε ηελ δηαηάξαμε ηεο ξνήο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εμψζεζεο. [40,41] 21

32 Δηθόλα 11: Δγθάξζηεο δνκέο ηλψλ άλζξαθα κεζνθαζηθήο πίζζαο. [35] 3.3 Έιεγρνο ηεο δνκήο Πξνθαλψο, νη ηειηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ (είηε ίλεο βαζηζκέλεο ζε PAN είηε ίλεο πίζζαο) κπνξνχλ λα ειεγρηνχλ απφ ηελ δνκή ηνπο. Έρεη γίλεη πξνζπάζεηα λα απνδεηρζεί φηη ε δνκή ηλψλ άλζξαθα κπνξεί λα ειεγρζεί κε ηελ αιιαγή ηεο ρεκείαο ηνπ πξφδξνκνπ πιηθνχ, κε ηνλ έιεγρν ηεο αλάπηπμεο ηεο δνκήο θαζψο θαη κε ηελ ηξνπνπνίεζε ησλ ζπλζεθψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε ζεξκηθή θαηεξγαζία ηνπο. Καηά ηηο ηειεπηαίεο δεθαεηίεο νη πξνζπάζεηέο απηέο άξρηζαλ λα απνθέξνπλ απνηειέζκαηα. Δξεπλεηέο απέδεημαλ φηη ε ξνή θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εμψζεζεο κπνξεί λα ειέγρεηαη γηα ηελ δεκηνπξγία ηλψλ κεζνθαζηθήο πίζζαο κε κηα πνηθηιία απφ πθέο, φπνπ θάζε κηα έρεη ηα δηθά ηεο πιενλεθηήκαηα. Γηα παξάδεηγκα ίλεο πίζζαο κε αθηηλσηή δνκή έρνπλ ηελ ηάζε λα εκθαλίδνπλ πςειφηεξε αληνρή ζε εθειθπζκφ θαη ζιηπηηθέο ηδηφηεηεο. Οη Wang θαη Rey (1997) έδεημαλ φηη ηφζν ε αθηηληθή αιιά θαη ε δνκή «θξεκκπδηνχ» (onion-skin) δεκηνπξγνχληαη κε θπζηθφ ηξφπν, είηε θαηά ηε δηάξθεηα ηεο ξνήο ή ζε κηα ζηάζηκε πγξή θαηάζηαζε. Πξνθαλψο, ε ζηαζεξή κνξθή εμαξηάηαη απφ ην ζρεηηθφ κέγεζνο ησλ ειαζηηθψλ ζηαζεξψλ. Δπίζεο, πξφβιεςαλ φηη ζηηο πςειέο ζεξκνθξαζίεο επλνείηε ν ζρεκαηηζκφο δνκήο θξεκκπδηνχ, ελψ ζε ρακειέο 22

33 ζεξκνθξαζίεο επλνείηε απηφο ηεο αθηηληθήο δηάηαμεο. Σέινο, ππάξρεη θαη ε δπλαηφηεηα λα έρνπκε ηπραίνπο πξνζαλαηνιηζκνχο, αλ ν ζρεκαηηζκφο γίλεη ζε ελδηάκεζεο ζεξκνθξαζίεο. [42] Ωζηφζν, νη Robinson θαη Εληη (1996) έδεημαλ φηη, αλ θαη ε πθή αληηπξνζσπεχεη ηελ ζχλζεηε δνκή, ε κηθξνδνκή πεξηέρεη αθαλφληζηα ζρήκαηα θαη ζηξνθέο. Απηφ δηαθξίλεηε θαζαξά ζηελ πςειήο αλάιπζε θσηνγξαθία SEM (Εηθόλα 12). [43] Δηθόλα 12: Δηθφλα SEM πνπ παξνπζηάδεη ηελ δνκή ίλαο άλζξαθα απφ κεζνθαζηθή πίζζα θνληά ζηελ επηθάλεηα ηεο. [35,43] 3.4 Ιδηόηεηεο ηλώλ άλζξαθα Σα ραξαθηεξηζηηθά ησλ ηλψλ άλζξαθα επεξεάδνληαη απφ ηελ επηινγή ηεο αξρηθήο πξψηεο χιεο, ηηο ζπλζήθεο αλζξαθνπνίεζεο θαη ηε ζεξκηθή επεμεξγαζία, θαζψο θαη απφ ηελ εηζαγσγή ζπγθεθξηκέλσλ πξφζζεησλ νπζηψλ. Οη θπζηθνρεκηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα εμαξηψληαη θπξίσο απφ ηελ δνκή ηνπο. 23

34 3.4.1 Μεραληθέο ηδηόηεηεο Οη πνιχ θαιέο κεραληθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα νθείινληαη ζηνλ πνιχ ηζρπξφ δεζκφ κεηαμχ ηνλ αηφκσλ άλζξαθα κεηαμχ ησλ γξαθηηηθψλ ζηξσκάησλ. Η ηζρχο ηνπ δεζκνχ κεηαμχ ησλ αηφκσλ ηνπ πιέγκαηνο ελφο πιηθνχ ειέγρεη θαηεπζείαλ ηελ ειαζηηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ. Η πςειή ελέξγεηα δεζκνχ κεηαμχ ησλ αηφκσλ C νθείιεηε ζηελ νκνηνπνιηθή θχζε ηνπο, ελψ νη πνιχ αζζελείο δεζκνί κεηαμχ ησλ αηφκσλ γεηηνληθψλ ζηνηβάδσλ (δπλάκεηο van der Waals) εμεγνχλ ηε ρακειή αληνρή ησλ ηλψλ ζηελ εγθάξζηα δηεχζπλζε ηνπ θξπζηαιιηθνχ πιέγκαηνο. [44] Οη κεραληθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα απνηεινχλ πνιχ ζεκαληηθέο ελδείμεηο ηεο πνηφηεηαο ηνπο. Σν κέηξν ειαζηηθφηεηαο (Young s modulus) θαη ε αληνρή ζε εθειθπζκφ εμαξηψληαη απφ ηελ δηεχζπλζε ηεο εθαξκνδφκελεο ηάζεο. Γηα παξάδεηγκα, νη ίλεο άλζξαθα κε βάζε ην ΡΑΝ εκθαλίδνπλ κέηξν ειαζηηθφηεηαο GPa θαηά ηνλ δηακήθε εθειθπζκφ ηεο ίλαο, ελψ θαηά ηνλ εγθάξζην εθειθπζκφ ην κέηξν ειαζηηθφηεηαο είλαη 5-25 GPa θαη ε αληνρή ζε ζιίςε είλαη 6 GPa. Καηά θχξην ιφγσ ην κέηξν ειαζηηθφηεηαο θαη ε αληνρή ζε εθειθπζκφ αλαθέξνληαη θαηά ηνλ δηακήθε άμνλα ηεο ίλαο. Η κέηξεζε ηεο αληνρήο ζε εθειθπζκφ ησλ ηλψλ άλζξαθα απνηειεί θξηηήξην γηα ηελ επηινγή ηνπο ζηελ θαηαζθεπή ζχλζεησλ πιηθψλ κε πνιπκεξηθά ή αλφξγαλα ζπγθνιιεηηθά κέζα θαη επίζεο ζηελ πξφβιεςε ηνπ ρξφλνπ δσήο ηνπ ζχλζεηνπ πιηθνχ. Δπεηδή νη ίλεο άλζξαθα εκθαλίδνπλ δνκή ζηνηβάδσλ θαη ην πεξίβιεκα ηεο ίλαο, θαζψο θαη ν ππξήλαο ηεο ραξαθηεξίδνληαη απφ ζπγθεθξηκέλν βαζκφ ηάμεο. Η αληνρή ηνπ ππξήλα θαζψο θαη ηνπ πεξηβιήκαηνο είλαη δηαθνξεηηθέο θαηά ηελ εθαξκνδφκελε ηάζε. Σν κέηξν ειαζηηθφηεηαο εμαξηάηαη απφ ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ησλ γξαθηηηθψλ θξπζηαιιηηψλ ηεο ίλαο άλζξαθα, ελψ ε αληνρή ζε εθειθπζκφ πξνζδηνξίδεηαη απφ ηνπο δεζκνχο κεηαμχ ησλ αηφκσλ θαη ηηο δνκηθέο αηέιεηεο ηεο. Η εηζαγσγή αηφκσλ επηπξφζζεησλ ζηνηρείσλ ζηελ ζχζηαζε ησλ ηλψλ άλζξαθα πξνθαιεί εγγελείο κεηαβνιέο ζηε ρεκηθή ζηαζεξφηεηα ηνπο πνπ νθείινληαη ζην ζρεκαηηζκφ ελψζεσλ πξφζζεηνπ ζηνηρείνπ άλζξαθα θαη ζε δνκηθέο αλαδηαηάμεηο, θαηαιπφκελεο απφ ην πξφζζεην ζηνηρείν. Οη ρεκηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα πνπ πεξηέρνπλ ελψζεηο πξφζζεηνπ ζηνηρείνπ ζε πνιιέο πεξηπηψζεηο δηαθέξνπλ ζεκαληηθά απφ απηέο ησλ ακηγψλ ηλψλ άλζξαθα. Με βάζε ησλ ηχπν ησλ πξνζζέησλ θαη ηε ρεκηθή θχζε ησλ αιιειεπηδξάζεσλ κεηαμχ ησλ πξνζκίμεσλ θαη 24

35 άλζξαθα, λέεο ηδηφηεηεο εκθαλίδνληαη πνπ δελ απαληψληαη ζηηο ακηγείο ίλεο άλζξαθα. [45] Ο ηαλπζκφο θαηά ηελ ζεξκηθή επεμεξγαζία ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο νδεγεί ζε νξηζκέλεο δνκηθέο αλαδηαηάμεηο πνπ δίλνπλ θαιχηεξε νκνηνκνξθία (κε ηελ έλλνηα ηεο επαλαιεςηκόηεηαο) ζηηο κεραληθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ. Η αχμεζε ηεο αληνρήο ησλ ηλψλ άλζξαθα κπνξεί λα επηηεπρζεί επνπιψλνληαο ηηο επηθαλεηαθέο αηέιεηεο. Απηφ επηηπγράλεηαη κε δηάθνξεο δηεξγαζίεο πεξηιακβαλνκέλσλ ηεο νμείδσζεο κε ζέξκαλζε ζε αέξα ζηνπο 450 C γηα ζχληνκν ρξνληθφ δηάζηεκα, θαζψο θαη κε επηφηεξεο νμεηδσηηθέο, αιιά θαη ειεθηξνρεκηθέο επεμεξγαζίεο. Ιδηόηεηεο Ιλώλ Άλζξαθα Υακεινύ Mέηξνπ Διαζηηθόηεηαο Μεζαίνπ Mέηξνπ Διαζηηθόηεηαο Τςεινύ Mέηξνπ Διαζηηθόηεηαο Μέηξν ειαζηηθφηεηαο, GPa Αληνρή ζε εθειθπζκφ, MPa Δπηκήθπλζε ζην φξην ζξαχζεο, (%) Ηιεθηξηθή αληίζηαζε, κω*cm Θεξκηθή αγσγηκφηεηα, W/m*K πληειεζηήο ζεξκηθήο δηαζηνιήο, (αμνληθή δηεχζπλζε, 10-6 K) Ππθλφηεηα, g/cm Πεξηεθηηθφηεηα ζε άλζξαθα, (%) Γηάκεηξν ηηο ίλαο, κm Πίλαθαο 1: Υαξαθηεξηζηηθέο ηδηφηεηεο ηλψλ άλζξαθα κε βάζε ην ΡΑΝ. [29] Καηά ηελ νμεηδσηηθή επεμεξγαζία νη επηθαλεηαθέο αηέιεηεο εθηίζεληαη θαη απνκαθξχλεηαη άκνξθνο άλζξαθαο. Η επνχισζε ησλ επηθαλεηαθψλ αηειεηψλ επηηπγράλεηαη κε ρεκηθή εγράξαμε (etching) ηεο επηθάλεηαο ηεο ίλαο κε ριψξην ζε ζεξκνθξαζίεο πάλσ απφ ηνπο 350 C. Έρεη αλαθεξζεί επίζεο φηη ε ζεξκηθή επεμεξγαζία ηεο ίλαο άλζξαθα ζηνπο 600 C ζε αέξα γηα 20 ιεπηά νδεγεί ζηε ιείαλζε ηεο επηθάλεηαο. Με απηφ ηνλ ηξφπν επζπγξακκίδνληαη ηα ηνηρψκαηα ησλ 25

36 ξσγκψλ θαη απνκαθξχλνληαη νη επηθαλεηαθέο πξνζκίμεηο δηάθνξσλ ζηνηρείσλ κε απνηέιεζκα ε αληνρή λα κπνξεί λα απμεζεί θαηά 1,5-2 θνξέο. Η αληνρή ησλ ηλψλ άλζξαθα κπνξεί λα απμεζεί θαηά 50-80% επηδηψθνληαο επηθαλεηαθή επεμεξγαζία ζε ειεθηξνιπηηθά δηαιχκαηα. Μεηαμχ ησλ αηηηψλ πνπ εμαζζελνχλ ηε δνκή ηεο ίλαο θαη ηελ αληνρή ηεο είλαη νη επηθαλεηαθέο ελαπνζέζεηο πνπ παξεκπνδίδνπλ ηνπο πξνηεηλφκελνπο πξνζαλαηνιηζκνχο ηεο δνκήο ηνπ άλζξαθα θαηά ην κήθνο ηνπ άμνλα ηεο ίλαο. Οη κεραληθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα κπνξνχλ λα βειηησζνχλ επηθαιχπηνληαο ηελ επηθάλεηα ηνπο κε θαξβίδηα ππξηηίνπ θαη δηξθνλίνπ, ή ληηξίδηα δηξθνλίνπ θαη ηηηαλίνπ. Έρεη απνδεηρζεί φηη ε αληνρή ηνπο απμάλεηαη εάλ ην επηθαιππηηθφ δελ μεπεξλά ζε πάρνο ηα 0,05 mm. Δπηπιένλ, έρεη αλαθεξζεί φηη ν ζρεκαηηζκφο ππξνάλζξαθα σο επηθαιππηηθνχ επηθέξεη θαιά απνηειέζκαηα. Η αληνρή ηεο ίλαο απμάλεηε θαηά 10-30% κε ελαπφζεζε ππξνάλζξαθα 0,005-1 κm κε ζεξκηθή επεμεξγαζία ζηνπο C ζε αηκνχο C 6 Η 6, C 2 Η 4, CΗ 4, ζείνπ ή νξγαλνκεηαιιηθψλ ελψζεσλ. [45] Υεκηθή ηαζεξόηεηα Μηα ζεκαληηθή ηδηφηεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα είλαη ε ζηαζεξφηεηα ηνπο ζε δηαβξσηηθά κέζα. Η ζηαζεξφηεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα έλαληη νμέσλ είλαη κεγαιχηεξε γηα ίλεο πνπ έρνπλ παξαρζεί κε ζεξκηθή επεμεξγαζία ζε πςειφηεξε ζεξκνθξαζία. Απηφ γίλεηαη δηφηη απμάλεη ε αλαινγία ησλ ζηαζεξψλ δεζκψλ πνπ ζρεκαηίδνληαη. Δπηπιένλ, ε δνκή απηή εκπνδίδεη ηε δηάρπζε ηνπ ρεκηθνχ κέζνπ πξνθεηκέλνπ λα εηζέιζεη ζηελ θχξηα κάδα ησλ κνλντλψλ. ε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ παξαηεξείηαη κηθξή κεηαβνιή ζηηο ίλεο άλζξαθα αθφκα θαη κεηά απφ εθηεηακέλεο πεξηφδνπο έθζεζεο ζε δηαβξσηηθά πγξά (<12 κήλεο). Δλψ ε ζηαζεξφηεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα ζε απμεκέλεο ζεξκνθξαζίεο ειαηηψλεηαη, εηδηθφηεξα εάλ ηα ρεκηθά είλαη νμεηδσηηθά. ε απμεκέλεο ζεξκνθξαζίεο ηα ρεκηθά απηά πξνάγνπλ ηελ νμείδσζε πνπ νδεγεί ζηελ θαηαζηξνθή ηνπ άκνξθνπ άλζξαθα. [59] Η ρεκηθή ζηαζεξφηεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα εμαξηάηαη απφ ην αξρηθφ πνιπκεξέο. Έηζη, ίλεο πνπ παξάγνληαη ζε ζεξκνθξαζίεο ζεξκηθήο επεμεξγαζίαο 900 C κε βάζε ηελ αλαγελλεκέλε θπηηαξίλε έρνπλ πςειφηεξε ρεκηθή ζηαζεξφηεηα ζπγθξηηηθά κε ηηο αληίζηνηρεο κε βάζε ην ΡΑΝ. Η ρεκηθή δξαζηηθφηεηα ησλ ηλψλ 26

37 άλζξαθα εμαξηάηαη ζεκαληηθά απφ ηα δνκηθά ραξαθηεξηζηηθά πνπ πξνζδηνξίδνληαη απφ ην ζεξκνθξαζηαθφ πξνθίι θαηά ηελ παξαγσγή ηνπο θαη ζε κηθξφηεξν βαζκφ απφ ηηο ηδηφηεηεο θαη ηε δνκή ηνπ πξφδξνκνπ πνιπκεξνχο. ηα ζχλζεηα πιηθά κε ίλεο άλζξαθα ε πξφξξεζε ηεο ρεκηθήο ζηαζεξφηεηαο ηνπ γίλεηαη ζε ζρέζε κε ηελ ρεκηθή ζηαζεξφηεηα ησλ ηλψλ ελίζρπζεο αιιά θπξίσο ηεο πνιπκεξηθήο κήηξαο. Η εηζαγσγή αηφκσλ επηπξφζζεησλ ζηνηρείσλ ζηε ζχζηαζε ησλ ηλψλ άλζξαθα πξνθαιεί εγγελείο κεηαβνιέο ζηε ρεκηθή ζηαζεξφηεηά ηνπο πνπ νθείινληαη ζην ζρεκαηηζκφ ελψζεσλ πξφζζεηνπ ζηνηρείνπ-άλζξαθα θαη ζε δνκηθέο αλαδηαηάμεηο, θαηαιπφκελεο απφ ην πξφζζεην ζηνηρείν. Οη ρεκηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ απηψλ δηαθέξνπλ απφ ηηο αληίζηνηρεο ακηγήο ίλεο άλζξαθα θαη έηζη έρνπκε ηελ εκθάληζε λέσλ ηδηνηήησλ. [45] Θεξκνθπζηθέο Ιδηόηεηεο Οη ίλεο άλζξαθα έρνπλ πςειή ζεξκηθή αληίζηαζε. ε αδξαλή αηκφζθαηξα, ε αληνρή θαζψο θαη ην κέηξν ειαζηηθφηεηαο ηνπο παξακέλνπλ ακεηάβιεηα κέρξη θαη ηνπο 1500 C, ελψ παξνπζία αέξα ε κέγηζηε ζεξκνθξαζία, ζηελ νπνία ηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο δνκήο, θαζψο θαη νη κεραληθέο ηδηφηεηεο παξακέλνπλ ακεηάβιεηεο είλαη 300 C γηα ηηο κε γξαθηηηθέο ίλεο άλζξαθα θαη 400 C γηα ηηο γξαθηηηθέο. Τπάξρνπλ δηάθνξνη ηξφπνη γηα λα απμεζεί ε ζεξκηθή αλζεθηηθφηεηα ησλ ηλψλ άλζξαθα. Έλαο απφ ηνπο πην απνδνηηθνχο ηξφπνπο είλαη ν ζρεκαηηζκφο ελφο πξνζηαηεπηηθνχ επηζηξψκαηνο ρξεζηκνπνηψληαο δχζηεθηα πιηθά αλζεθηηθά ζηελ νμείδσζε. Έλαο απφ ηνπο ηξφπνπο επηθάιπςεο ησλ ηλψλ είλαη ε ελαπφζεζε ππξνάλζξαθα απφ ηελ αέξηα θάζε θαηά ηελ απνηθνδφκεζε κεζαλίνπ ή θάπνπ άιινπ πδξνγνλάλζξαθα. Σν επίζηξσκα απηφ βειηηψλεη ηηο κεραληθέο αληνρέο ησλ επηθαιπκκέλσλ πιηθψλ, αιιά θαη ηελ ηθαλφηεηα ηνπο λα αλζίζηαληαη ζηελ νμείδσζε. [45] Η επηθάιπςε ηλψλ άλζξαθα κέζσ ελαπφζεζεο απφ ηελ αέξηα/αηκψδε θάζε ελψζεσλ ζείνπ απμάλεη ηε ζηαζεξφηεηα ζηελ νμείδσζή ηνπο ζε εθηεηακέλε έθζεζε ζηνπο C θαη εκπνδίδεη ηε δηάρπζε νμπγφλνπ εληφο ησλ ηλψλ, Η απνηειεζκαηηθφηεηα ηνπ πξνζηαηεπηηθνχ επηζηξψκαηνο απμάλεη αλάινγα κε ην πάρνο ηνπ. Σν βέιηηζην πάρνο είλαη πεξίπνπ 8 κm απνηειψληαο πεξίπνπ ην 4% θ.β., ην νπνίν εάλ μεπεξαζζεί κπνξεί λα πξνθιεζεί αλεπηζχκεηε επζξαπζηφηεηα ηεο ίλαο 27

38 άλζξαθα. Η επεμεξγαζία, ηλψλ πνπ πεξηέρνπλ δηξθφλην, κε ηελ ρξήζε πιάζκαηνο νδεγεί ζην ζρεκαηηζκφ επηζηξψκαηνο θαξβηδίνπ ηνπ δηξθνλίνπ, ην νπνίν απμάλεη θαηά 70-90% ηελ αληίζηαζε ζηελ νμεηδσηηθή επεμεξγαζία. Αθφκα θαη κε ην πξνζηαηεπηηθφ επίζηξσκα ππάξρνπλ πεξηνξηζκνί ζηε ζηαζεξφηεηα ησλ πιηθψλ ζε εθηεηακέλε έθζεζή ηνπο ζε δξαζηηθά κέζα εμαηηίαο ηεο παξνπζίαο ηνπ κε ηξνπνπνηεκέλνπ ππξήλα ηεο ίλαο. [45,46] Ηιεθηξηθέο ηδηόηεηεο Οη ειεθηξηθέο ηδηφηεηεο ησλ ηλψλ άλζξαθα ζρεηίδνληαη κε ηνλ απεληνπηζκφ (delocalization) ησλ π-ειεθηξνλίσλ. Οη δηαθνξνπνηήζεηο ηεο ζχζηαζεο θαη ηεο δνκήο ησλ ηλψλ άλζξαθα πνπ ζπζρεηίδνληαη κε ηηο ζπλζήθεο παξαγσγήο ηνπο θαη ηηο πξνζκίμεηο πνπ ππάξρνπλ ζηε δνκή ηνπο, είλαη νη αηηίεο κεηαβνιψλ ηεο ειεθηξηθήο εηδηθήο αληίζηαζεο απηψλ ησλ πιηθψλ θαη νδεγνχλ ζε ηδηφηεηεο πνπ θπκαίλνληαη κεηαμχ αγσγψλ θαη εκηαγσγψλ. Οη ίλεο άλζξαθα πνπ ιακβάλνληαη ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο ζεξκηθήο επεμεξγαζίαο ραξαθηεξίδνληαη σο εκηαγσγνί, ελψ πςειή αγσγηκφηεηα εκθαλίδνπλ νη ίλεο άλζξαθα πνπ παξάγνληαη ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο κε πςειά δηεπζεηεκέλεο ηηο ζηνηβάδεο ηνπ άλζξαθα. Γεληθά, ε ειεθηξηθή εηδηθή αληίζηαζε ησλ ηλψλ άλζξαθα ξπζκίδεηαη θπξίσο κε ηξείο ηξφπνπο. Πξψηνλ, απφ ην ζχζηεκα ρξφλνπ-ζεξκνθξαζίαο θαηά ηελ παξαγσγή ησλ ηλψλ. Γεχηεξνλ, απφ ηνλ ηαλπζκφ ησλ ηλψλ πνπ νδεγεί ζηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ηνπο θαηά ην ζηάδην ηνπ ζρεκαηηζκνχ ηνπο (ηλνπνίεζε) θαη θαηά ηελ αλζξαθνπνίεζε. Σξίηνλ, απφ ηελ εηζαγσγή ρεκηθψλ ζηνηρείσλ θαη ραξαθηεξηζηηθψλ νκάδσλ ζηε δνκή ησλ πξφδξνκσλ πξψησλ πιψλ ή ησλ ηλψλ άλζξαθα. [45] 3.5 Δθαξκνγέο ηλώλ άλζξαθα Οη ηξείο θπξηφηεξνη ηνκείο εθαξκνγψλ ησλ ηλψλ άλζξαθα είλαη: 1) ηνλ ηνκέα ηεο πςειήο ηερλνινγίαο, πνπ πεξηιακβάλεη ηελ αεξνλαππεγηθή θαη ππξεληθή κεραληθή. 28