Jaroslav Major, 02. 06. 20
Zdá se, že grafen, teprve před několik lety vytvořená forma uhlíku, může značně změnit nejen celý elektrotechnický průmysl, ale také zefektivnit a hlavně zlevnit výrobu letadel, automobilů a dokonce i jízdních kol.
Grafen patří mezi nejpevnější materiály na světě. Je totiž více než 200× pevnější než železo, zároveň je tvrdší, lehčí a navíc i snadno recyklovatelný. Díky své vysoké vodivosti (14x vyšší než křemík) je předurčen k výrobě polovodičů budoucnosti, stejně jako pro novou generaci solárních panelů. Teď však přišli vědci z Penn State University s jeho další velice slibnou průmyslovou aplikací. Pomocí kombinace počítačových simulací a laboratorních testů zjistili, že přidání malého množství 2D grafenu do výrobního procesu snižuje výrobní náklady a posiluje klasická uhlíková vlákna, používaná zejména při výrobě kompozitových materiálů pro konstrukce trupů letadel a některých drahých automobilů. Uhlíkové vlákno se dnes prodává za zhruba 15 USD za jednu libru, při použití grafenu je však možné jeho cenu snížit minimálně na jednu třetinu.
"V současné době se většina uhlíkových vláken vyrábí z polymeru známého jako polyakrylonitril neboli PAN, a je to docela nákladný proces," vysvětluje Małgorzata Kowalik, výzkumná pracovnice v Penn State Department of Engineering Engineering. "Cena PAN tvoří asi 50% výrobních nákladů na uhlíková vlákna," dodává.
PAN se používá k výrobě přibližně 90 % uhlíkových vláken, která se dnes používají v průmyslu, a jeho výroba vyžaduje obrovské množství energie. Nejprve musí být vlákna PAN zahřátá na 200 až 300 stupňů Celsia, aby byla oxidována. Dále se musí zahřát na 1200 - 1600 stupňů Celsia, aby se atomy transformovaly na uhlík. A konečně ve třetí fázi se získaný uhlík zahřívá na 2100 stupňů Celsia, aby molekuly získaly správnou strukturu. Bez této série technologických kroků by výsledný materiál postrádal potřebnou sílu a tuhost.
Výzkumný tým však nyní zjistil, že přidání stopových množství grafenu (pouze 0,075%) už v první fázi výrobního procesu umožňuje vyrobit uhlíkové vlákno, které má o 225% větší sílu a 184% větší tuhost, než běžně vyráběná uhlíková vlákna na bázi PAN. Je tedy jasné, že máme co dělat s převratným objevem, který může znamenat revoluci ve výrobě dopravních prostředků.
V současné době se uhlíková vlákna využívají při výrobě závodních a některých exkluzivních supersportovních automobilů, stále více se prosazují při konstrukci rámů jízdních kol. Funkční jsou zejména v leteckém průmyslu - prvním velkým sériově vyráběným dopravním letadlem. Drak letadla je vyroben z kompozitových materiálů na bázi uhlíkových vláken je Boeing 787 Dreamliner. Primární výhodou uhlíkových vláken je především nižší hmotnost a také vyšší odolnost. V případě, že se podaří výrobu uhlíkových vláken trojnásobně zlevnit, nebude nic bránit rozšíření tohoto materiálu i do běžné sériové výroby těchto dopravních prostředků.
