Изготовление из карбона: RTM light Carbon Composites

Содержание

Основные методы изготовления деталей из карбона

Качество деталей из карбона в первую очередь зависит от правильного выбора и качества смолы и углеродного полотна. При ошибках в выборе плотности полотна карбона и смолы для карбона вы не сможете аккуратно выложить заготовку в форме, плотно прижать и полностью удалить пузырьки воздуха.

Основные методы изготовления деталей из карбона

К основным методам изготовления можно отнести:

  • формование из препрегов, то есть полуфабрикатов,
  • метод аппликации,
  • формование непосредственно в форме с вакуумом,
  • формование давлением (ручная прикатка).

Изготовление карбона дома не требует сложного оборудования, и при определенных навыках можно получить детали достойного качества. Поэтому сделать углепластик удовлетворительного качества самому вполне реально.

Карбон для автотюнинга

Внимание! Так называемый 3D-карбон, автовинил или пленка “под карбон” никакого отношения к карбону не имеет, кроме отличной имитации поверхности карбона. Это разноцветные виниловые и ПВХ-пленки с визуальными эффектами только для декоративной отделки поверхности, но не для упрочнения.

А вот для изготовления некоторых облегченных элементов, где требуется высокая прочность, например, для бамперов, капотов, мелких деталей кузова, может использоваться дорогостоящий настоящий карбон. Можно попробовать даже сделать обтяжку карбоном своими руками некрупных элементов.Но необходимо помнить, что этот материал очень чувствителен к точечным ударам и есть риск повреждения мелкими камнями и щебнем из-под колес.

И здесь определяющую роль играет мастерство автомастера, насколько совершенно он владеет навыками подбора полотна, смолы и толщины слоев. А ремонт карбоновых деталей – тоже дорогостоящий процесс.

Если же для вас главную роль играют эстетические параметры, а не облегчение веса автомобиля или мотоцикла, то присмотритесь к ПВХ-пленкам “под карбон”, аква-печати или аэрографии.

Изготовление деталей из карбона методом препрегов

Промышленный процесс формования изделия из препрега (заготовок для формования) в автоклаве представляет собой одновременное протекание сложных процессов:

  • полимеризацию компаунда,
  • вакуумное удаление воздуха и излишков смолы,
  • высокое давление ( до 20 атм) прижимает все слои к матрице, уплотняя и выравнивая их.

Это дорогостоящий процесс, поэтому для мелкосерийного тюнинга в домашних условиях малопригодный.

Но разделение этих процессов удешевляет и удлиняет всю процедуру самостоятельного получения карбона. Изменения при этом вносятся в технологию подготовки препрега, поэтому всегда нужно обращать внимание, для какой технологии предназначена заготовка.

В этом случае препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы заготовка с обеих сторон покрывается полиэтиленовой пленкой и пропускается между двух валов. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются.

Препрег вдавливается в матрицу пуансоном, и вся конструкция помещается в термошкаф. То есть в данном случае препрег представляет полностью готовую к формованию заготовку, с обжатыми слоями и удаленным воздухом.

Этот метод чаще всего и используют автомастерские, покупая заготовки карбона, а матрицы изготавливаются из алебастра или гипса, иногда вытачиваются из металла или в качестве модели используется сама деталь. которую вы хотите повторить из карбона. Иногда модели вырезаются из пенопласта и остаются внутри готовой детали.

Углепластик своими руками проще всего сделать методом «обтяжки» или аппликации углеполотна на заготовку.

Метод аппликации (ручная оклейка)

Сделать карбон своими руками можно методом оклейки, который включает пять основных этапов:

  1. Тщательная подготовка оклеиваемой поверхности: зашкуривание, обезжиривание, скругление углов.
  2. Нанесение адгезива.
  3. Приклеивание углеткани с пропитыванием эпоксидной смолой с отвердителем.
  4. Сушка.
  5. Покрытие защитным лаком или краской.

Наполнители для смолы используют как для придания декоративности, так и для предотвращения стекания смолы с вертикальных поверхностей.

Необходимые материалы

  1. Адгезив для фиксации углеткани на поверхности.
  2. Ткань из углеволокна, которую укладывают на смолу послойно, с прикатыванием твердым валиком.
  3. Эпоксидная смола средней вязкости с отвердителем (иногда она используется в качестве адгезива).
  4. Защитный лак. Лучше всего для защиты от царапин подходит полиуретановый. Нужно выбирать водостойкий и светостойкий. Он не помутнеет. Для высокого блеска в качестве финишного покрытия можно использовать акриловый лак.

Смолу наносят 2-3 раза с промежуточной сушкой и шлифовкой.

Этот метод отличается от традиционного изготовления карбоновых изделий по моделям нанесением адгезива, а не разделителя для легкого съема получившегося полуфабриката.

Компания 3М предлагает даже самоклеющееся углеполотно, но работа с ним требует хороших навыков.

И карбон остается на оклеиваемой детали, упрочняя ее. Такое производство карбона чаще всего используется для оклеивания бампера, приборной панели и пр.

Метод формования карбона в форме с вакуумом

Для этого метода требуется специальное оборудование и хорошие навыки.

  1. Нанесение разделительного состава на поверхность модели. Для матовых и полуглянцевых поверхностей обычно применяется разделительный воск, а для глянцевых поверхностей(пластик и металл) — разделитель типа WOLO и растворы для грунтования, которые используются при мелкосерийном призводстве.
  2. Выкладывание углеткани в матрицу, без морщин и пузырей.
  3. Пропитка углеткани смолой.
  4. Слоев может быть несколько. В некоторых случаях углеткань можно чередовать со стеклотканью.
  5. Наложение перфорированной пленки для отжима излишков смолы и выхода воздуха. Желательно укладывать внахлест.
  6. Прокладка впитывающего слоя.
  7. Установка вакуумной трубки и порта для подключения вакуумного насоса.
  8. Помещение всей конструкции в прочную вакуумную пленку, приклеивание герметизирующим жгутом к оснастке.

Вся процедура напоминает помещение какого-либо предмета в вакуумный пакет, которые продаются в магазинах для хранения вещей, с последующей откачкой из него воздуха. Можно поэкспериментировать с такими вакуумными пакетами. Они очень прочные и продаются разных размеров. А вакуумный насос для домашнего использования обойдется в среднем в 150-200$.

Еще один вариант вакуумной технологии – процесс формования включает в себя наложение слоев углеродного волокна на пресс-форму, упаковывание в мешки всей сборки и удаление лишнего воздуха с помощью вакуумной системы. Смоляная смесь затем подается с одного конца и затем всасывается в пакетированный узел под действием вакуума внутри. После периода охлаждения формованная деталь отделяется от пресс-формы, а избыток материала обрезается.

Метод формования карбона с помощью давления (ручная прикатка)

Применяется для самостоятельного изготовления деталей из карбона и аналогичен методу формования вакуумом, но без использования дорогостоящей оснастки. Наборы включают кисти для нанесения смолы и валики для выдавливания воздуха и прикатки слоев.

Для простого тюнинга автомобиля понадобятся:

  • углеполотно плотностью 200-300 г/м,
  • эпоксидная смола,
  • отвердитель,
  • жесткий валик и кисть.

На Alibaba.com углеполотно плотностью 200 г/м.кв. плетения twill предлагается по цене от 10 до 25 долларов за квадратный метр. Правда, и покупать нужно от 10 метров. Но можно договориться о получении образцов, которые позволят самостоятельно изготовить небольшие изделия из карбона.

В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:

  1. На поверхность формы наносится разделительный воск, гелькоат для формирования защитно-декоративного слоя на поверхности готового изделия. 
  2. После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
  3. Затем наносится еще один слой смолы  для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
  4. Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140 – 180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.

Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.

Каждый слой прокатывается валиком для удаления пузырьков воздуха и получения максимального сцепления. 

При таком методе получается высокий расход смолы (в три раза выше плотности углеполотна), но зато именно таким способом можно изготовить любую деталь из карбона своими руками.

Автор Ирина Химич

Carbon-Factory — производство изделий из карбона

Соблюдение Вашей конфиденциальности важно для нас. По этой причине, мы разработали Политику Конфиденциальности, которая описывает, как мы используем и храним Вашу информацию. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими правилами соблюдения конфиденциальности и сообщите нам, если у вас возникнут какие-либо вопросы.

Сбор и использование персональной информации

Под персональной информацией понимаются данные, которые могут быть использованы для идентификации определенного лица либо связи с ним.

От вас может быть запрошено предоставление вашей персональной информации в любой момент, когда вы связываетесь с нами.

Ниже приведены некоторые примеры типов персональной информации, которую мы можем собирать, и как мы можем использовать такую информацию.

Какую персональную информацию мы собираем:

  • Когда вы оставляете заявку на сайте, мы можем собирать различную информацию, включая ваши имя, номер телефона, адрес электронной почты и т.д.

Как мы используем вашу персональную информацию:

  • Собираемая нами персональная информация позволяет нам связываться с вами и сообщать об уникальных предложениях, акциях и других мероприятиях и ближайших событиях.
  • Время от времени, мы можем использовать вашу персональную информацию для отправки важных уведомлений и сообщений.
  • Мы также можем использовать персональную информацию для внутренних целей, таких как проведения аудита, анализа данных и различных исследований в целях улучшения услуг предоставляемых нами и предоставления Вам рекомендаций относительно наших услуг.
  • Если вы принимаете участие в розыгрыше призов, конкурсе или сходном стимулирующем мероприятии, мы можем использовать предоставляемую вами информацию для управления такими программами.

Раскрытие информации третьим лицам

Мы не раскрываем полученную от Вас информацию третьим лицам.

Исключения:

  • В случае если необходимо — в соответствии с законом, судебным порядком, в судебном разбирательстве, и/или на основании публичных запросов или запросов от государственных органов на территории РФ — раскрыть вашу персональную информацию. Мы также можем раскрывать информацию о вас если мы определим, что такое раскрытие необходимо или уместно в целях безопасности, поддержания правопорядка, или иных общественно важных случаях.
  • В случае реорганизации, слияния или продажи мы можем передать собираемую нами персональную информацию соответствующему третьему лицу – правопреемнику.

Защита персональной информации

Мы предпринимаем меры предосторожности — включая административные, технические и физические — для защиты вашей персональной информации от утраты, кражи, и недобросовестного использования, а также от несанкционированного доступа, раскрытия, изменения и уничтожения.

Соблюдение вашей конфиденциальности на уровне компании

Для того чтобы убедиться, что ваша персональная информация находится в безопасности, мы доводим нормы соблюдения конфиденциальности и безопасности до наших сотрудников, и строго следим за исполнением мер соблюдения конфиденциальности.

Детали из карбона для авто — производство и изготовление карбоновых деталей на заказ

Углепластик, который также называют карбоном и карбонопластиком, – это полимерный композиционный материал, состоящий из нитей углеволокна. Основным преимуществом карбона считается его небольшой вес. Кроме того, у изделий из карбона повышенная прочность и жесткость. Карбон, как правило, используют как дополнение к основному материалу, которое позволяет улучшить характеристики последнего.

Особенности производства карбона

Нити углерода, которые используются для получения карбона, довольно тонкие. Их легко сломать, но трудно порвать. Чтобы получить прочное изделие из карбона, при производстве углеволокно укладывают в несколько слоев, при этом направление нитей каждый раз изменяется. Скрепляются они между собой с помощью эпоксидной смолы. В производстве карбона применяются вакуумные технологии и термообработка, а также используется сложное профессиональное оборудование.

Для чего используется карбон?

Как уже отмечалось, углепластик обладает высокой прочностью, поэтому он имеет достаточно широкую сферу применения. Детали из карбона используются при производстве спортивного инвентаря. Изделия из карбона применяют в ракето- и авиастроении. Карбоновые детали в последнее время набирают все большую популярность среди автолюбителей, в автосервисы всё чаще обращаются за изготовлением карбоновых изделий на заказ. Изделия из карбона используют для улучшения аэродинамики, создания необычного дизайна и других целей – отличные свойства материала обеспечивают его широкое применение в автопроме. В студии «Автореформа» изготовление изделий из карбона для вашего авто обойдется по разумной цене. Мы гарантируем изготовление детали из углепластика любой сложности.

Методы производства карбоновых изделий

Следующие способы применяются для изготовления деталей из карбона:

  • формование с помощью металлических штампов. Преимущество – высокая точность;

  • автоклавное формование. Этот метод применяется для получения изделий из карбона больших размеров;

  • намотка трубчатых изделий. Изготовление деталей из карбона данным способом отличается достаточной простотой и удобством;

  • намотка нитями. Высокая эффективность производства;

  • пултрузия. Это автоматизированный метод производства, который не требует больших трудовых затрат и поэтому считается достаточно экономичным.

Преимущества использования карбоновых деталей для автомобиля

Эффективное охлаждение. Для этого можно изготовить модернизированный капот с прямыми и обратными воздухозаборниками, крылья с жабрами для отвода теплого воздуха из-под арок, бамперы с направляющими на радиаторы.

Улучшенная аэродинамика. Для повышения этого показателя из карбона изготавливаются передние и задние антикрылья, капоты без воздухозаборников и т. д.

Уникальный дизайн. Детали из углеволокна зачастую используют не только для улучшения характеристик, но и для создания стильных и оригинальных решений. Их поверхность украшает черно-серый шахматный рисунок с 3D-эффектом.

Снижение веса. Из-за легкого веса среди любителей спортивных авто на карбон особенный спрос. Такие детали в несколько раз легче стальных аналогов, что позволяет значительно снизить вес спорткара.

Хотите изготовить изделия из карбона на заказ в Москве? Студия «Автореформа» будет рада помочь вам. Наши специалисты улучшат технические показатели вашего авто и воплотят в реальность самые смелые фантазии по преображению вашего автомобиля. Задать интересующие вопросы об изготовлении карбоновых деталей на заказ можно по указанному номеру. Вы также можете оставить заявку на обратный звонок, и мы обязательно свяжемся с вами.

Заказать изделия из углепластика (карбон) в СПб

Главная / Изделия из углепластика (карбон)

Карбон – это современный высокотехнологичный материал, который нашел свое применение во многих отраслях промышленности. Карбоновые изделия отличаются более высокими прочностными характеристиками при меньшем весе в сравнении с металлом. Но многие автовладельцы полюбили этот материал за его стильный и необычный внешний вид.

Технология производства

Карбоновое волокно – это композитный (неоднородный) материал, который состоит из двух армирующих компонентов и одного склеивающего. В качестве армирующих составных могут выступать переплетенные нити углепластика и резины или кевлара. Нити переплетаются друг с другом под необходимым углом, формируя таким образом слои. В каждом слое углы сплетения разные. Слои закрепляются посредством эпоксидных смол. Эти составляющие обеспечивают высокие потребительские качества карбонового волокна: прочность, устойчивость к механическим повреждениям, жесткость, легкость. Производство карбоновых изделий – достаточно сложный процесс, поэтому продукция не может стоить дешево, как пленки, имитирующие рисунок карбона.

Область применения

Сфера применения этого материала достаточно обширна: карбон используется в авиакосмической, судостроительной, медицинской, рыболовной, строительной и многих других отраслях. В последнее время из карбона стали изготавливаться элементы мебели и даже чехлы для телефонов и планшетов. Однако, наибольшую популярность углепластик снискал среди автолюбителей: из него изготавливают капоты, бамперы, пороги, спойлеры, диски, зеркала, трубы, а также им отделывают элементы салона. Карбоновые накладки придают автомобилю индивидуальность и подчеркивают характер хозяина.

Наиболее часто автомобилисты заказывают отделку бампера, капота и зеркал. Карбоновый капот выглядит очень эффектно, поскольку площадь покрытия достаточно большая материал сразу привлекает внимание. Карбоновые накладки на зеркала также не менее популярны, но чаще всего они используются в комплекте с накладками на бампер или спойлером. Отдельно стоит сказать и о тюнинге салона углепластиком: единственное ограничение здесь – воображение владельца. Вы можете заказать отделку коробки передач, панели приборов, дверей, порогов. Карбоновые накладки в салон не только красивы, но удобны и долговечны.

Кроме привлекательного внешнего вида материал имеет еще одно неоспоримое достоинство: низкий вес. Замена нескольких элементов может помочь немного снизить вес автомобиля, что, безусловно, привлекательно для каждого водителя. Именно по этой причине некоторые автовладельцы заказывают отделку всего корпуса.

Карбоновые изделия от «Plastic-prime»

Наша компания уже больше 5 лет занимается изготовлением изделий из углепластика, стеклопластика, полиуретана, литьевого камня. Мы производим изделия собственной разработки целиком из карбона с точным соблюдением технологии: детали прогреваются и прессуются. Наши изделия – это не карбоновое покрытие, а структура материала.

Мы моделируем и производим любые изделия, на которые способна ваша фантазия. Наши специалисты готовы создать на компьютере 3D модель и впоследствии изготовить по ней изделие нужных размеров. Для нас не существует невыполнимых задач! Обратитесь к нам и убедитесь в этом!

Ждем ваши заказы по телефону:

+7 (911) 831-29-24

изготовление деталей из карбона в Санкт-Петербурге.

Карбон очень легкий, прочный и красивый материал. Синтезируется путем переплетения нитей резины и тонких графитовых нитей. Относится к композиционным углеродным материям, отличается особой надежностью, жесткостью, считается прочнее стали.

Применение

Начало использования карбона для изготовления деталей на автомобиль, приходится на начало 50-х годов прошлого столетия. В сегодняшней действительности он потерпел множество изменений и стал своеобразным показателем уровня эксклюзивности для владельца.

Специалисты по изготовлению деталей из карбона предлагают бамперы, детали кузова, капоты из этого дорогостоящего материала. Чаще он используется для декоративной отделки, так как отлетающий от дороги гравий может повредить карбоновую поверхность. Заметьте, автовинил (или 3D-карбон) к настоящему не имеет никакого отношения, производители просто используют красивый рисунок для придания визуального эффекта.

Изготовление

Существует несколько способов создания деталей из карбона для автомобиля:

  1. Формовка из заготовок. В автоклаве изделие проходит полимеризацию компаунда (смолы), затем вакуумом удаляется весь воздух и лишняя смола и под высоким давлением все слои прижимаются к матрице. Таким образом изделие уплотняется и выравнивается. Процесс дорогостоящий, не подходит для домашних условий. Метод используется для штамповки штучных деталей из карбона путем покупки готовых матриц.
  2. Ручная оклейка. Сначала мастеру необходимо подготовить поверхность под материал (зашкурить, обезжирить, скруглить углы), далее наносится адгезив, приклеивается углеткань и пропитывается смолой с отвердителем. Все сушится и покрывается защитным слоем лака или краски.
  3. Формовка в форме с вакуумом. Процесс происходит на специальном оборудовании. На модель детали наносится разделительный состав, углеткань помещается в матрицу ровным слоем без складок и загибов. Заготовка пропитывается смолой. Для придания прочности материал выкладывают в несколько слоев. Покрывается перфорированной пленкой, под вакуумом выпускается воздух и излишки смолы. Далее впитывающий слой и все изделие помещается в вакуумную пленку, приклеивается не пропускающим воздух шнуром к оснастке.
  4. Ручная прикатка. Аналогичен предыдущему способу, более дешевый, оснастка не требуется. Мастер применяет углеполотно (плотность 200-300 г/м, эпоксидную смолу, твердый валик или кисть, отвердитель. На поверхность макета детали наносят разделительный воск, он высыхает. Затем покрывают эпоксидной смолой для углепластика и сверху выкладывают углеткань. Валиком прокатывают каждый слой, выгоняя лишний воздух и для надежного склеивания. Далее ждут полного высыхания и вынимают из формы. В завершение покрывают защитным лаком.

Этот способ позволяет создать деталь из карбона своими руками.

Материалы

Смолы, применяемые для изготовления деталей из карбона, называются компаундами. Наилучший результат при создании деталей получается из эпоксидной смолы горячего отвердения.

Для плотной фиксации углеткани на поверхности формы используют адгезив. Сама ткань – углеполотно. Ее можно заказать из Китая, ознакомившись с отзывами потребителей. Качество играет не последнюю роль.

Защитный лак для покрытия деталей из карбона – полиуретановый. Чтобы деталь не пожелтела применяют лак, не пропускающий воду и свет. Если средства позволяют, используйте акриловый лак.

Некоторые компании предлагают самоклеящееся углеполотно. Работа с ним требует особых навыков.

 

Изготовление деталей из карбона и стекловолокна: основы технологии

19.03.2020

Термином “карбон” обычно обозначают современный композитный материал, созданный путем сложного переплетения нитей графита и резины. В состав могут входить и другие компоненты, но наличие графита — обязательно.

Стекловолокно — это волокно, созданное из стеклянных нитей, структурно-аморфного, изотропного материала. Стоит значительно дешевле карбона, но обладает похожими свойствами. Поэтому используется при изготовлении деталей, с целью замещения части карбона. Чтобы снизить себестоимость готового изделия. 

Изготовление деталей из карбона и стекловолокна — это процесс придания и фиксации формы карбоновой ткани с помощью полимерных смол. Как правило, внешние стороны детали выполняют из карбона. А внутренний объем заполняют стекловолокном. Могут применяться и другие методики. 

Стекловолокно имеет схожие с карбоном эксплуатационные свойства. Но стоит значительно дешевле. Поэтому его применяют как добавку, с целью снижения цены детали. Однако, при этом снижаются показатели прочности и износостойкости. 

Как делают детали из карбона и стекловолокна

Процесс почти не поддается автоматизации. Большую часть операций приходится выполнять вручную. Мастер должен обладать целым рядом навыков, иметь опыт работы со сложными материалами и очень высокую квалификацию. Поэтому детали из карбона и стекловолокна стоят так дорого. И почти всегда изготавливаются штучно. 

Например, только те автопроизводители, которые выпускают спортивные автомобили “суперкары”, могут позволить себе применять карбоновые кузовные детали. 

Нет никаких сомнений в высоких эксплуатационных качествах этих материалов. Но их цена слишком высока для того, чтобы запускать массовое производство. Лишь очень малое количество потребителей готовы переплачивать в пять-двенадцать раз за уникальные качества карбона. Для всех остальных вполне достаточно той прочности и эластичности, которыми обладают алюминий и сталь. 

Сферы применения

Главное достоинство углеродного волокна — невероятное соотношение прочности и веса. Детали из карбона и стекловолокна не уступают (часто даже превосходят) стали и другим сплавам на основе железа. Но при этом весят в разы меньше.

Поэтому карбон так часто применяется в космической индустрии. Там стоимость доставки одного килограмма на орбиту очень высокая. Поэтому есть смысл применить карбон, а не, например, алюминий. 

Аналогично и в строительстве спортивных автомобилей. Там каждый грамм влияет на скорость. И повышение мощности двигателя обходится намного дороже, чем замена кузовных деталей на карбоновые.

О высокой сложности производства карбоновых деталей и их высокой цене известно всем. Поэтому карбоновые панели часто применяются в качестве декоративного отделочного материала. В тех местах, где нет нужды в высокой прочности, эластичности и износостойкости. Исключительно для того, чтобы подчеркнуть богатство и изысканный вкус владельца. 

Цена деталей из карбона и стекловолокна

Стоимость каждого изделия определяется индивидуально. Серийное производство применяется крайне редко, поэтому нет каких-то стандартных цен. Стоимость одинаковых (или очень похожих) изделий может отличаться в разы. 

Например, комплект из 5 небольших декоративных накладок, сделанных из карбона для салона Porsche Cayenne около $1200. Похожий комплект (по весу и количеству деталей), предназначенный для Nissan GT-R продается за $500. 

Обработка

Детали из карбона и стекловолокна изготавливаются таким образом, чтобы свести к минимуму дальнейшую обработку. Это очень прочный материал, сложный в работе. Более того, механическая обработка может серьезно повредить эстетическому внешнему виду карбоновой детали. Поэтому такие изделия почти никогда не берутся в работу на станках ЧПУ.

Как сделать карбон своими руками

Опубликовано:

09.06.2016

Автомобиль сегодня становится чем-то большим, чем просто средством передвижения. Владельцы машин любят их, пытаются выделить из толпы, добавив что-то особенное внешнему виду. Такой вид модернизации называется стайлинг и включает огромное количество различных способов добавления красоты. Это и бампера, и обвесы, и фары замысловатых форм, и тонировка, и различные способы покраски деталей. Очень распространёнными среди автолюбителей являются детали из карбона (или углепластика), которые пользуются огромной популярностью, причём, скорее, из-за необычного внешнего вида, а не из-за своих аэродинамических свойств. В этой статье мы расскажем, как сделать углепластик своими руками.

Характеристики карбона

Углепластик обладает рядом выдающихся качеств, таких как очень высокая прочность при малом весе. Зачастую детали из карбона прочнее даже, чем стальные аналоги, а весят при этом гораздо меньше. Благодаря таким характеристикам, детали из этого материала находят широкое применение во многих сферах промышленности. В основном это ракетостроение, самолётостроение и судостроение, так как в этих областях такие параметры материалов нужны больше всего. При этом производство углепластика связано с рядом технических сложностей, таких как необходимость постоянного контроля условий изготовления с применением очень дорогостоящих и энергозатратных методов. Если же отказаться от подобного контроля, то существует огромный риск того, что характеристики материала получатся гораздо хуже ожидаемых. Причиной этому может послужить малейшее отклонение от рекомендуемых параметров производства. Также настоящий материал плохо выдерживает удары, в результате чего даже незначительная деформация может повредить деталь из углепластика.

Эти же характеристики стали причиной того, что детали из карбона стали широко применяться при подготовке гоночных автомобилей, а благодаря их своеобразному внешнему виду, этот материал стал пользоваться немалой популярностью среди обычных автолюбителей. Поэтому изготовление деталей из карбона является очень распространённой задачей многих водителей, которые мечтают добавить изюминку во внешность своей машины.

Способы изготовления карбона

Для того чтобы изготовить деталь автомобиля из углепластика, совсем необязательно идти в специализированный автосервис, ведь запросто можно сделать карбон своими руками. Есть несколько способов изготовления карбона. Ниже мы разберём только те способы, которые подойдут для применения в домашних условиях.

Изготовление деталей с помощью ручного давления

Этот способ отлично подойдёт для самостоятельного изготовления деталей из углепластика. Отличается он тем, что для его реализации не потребуется дорогостоящее оборудование, а значит, вы сможете изготовить себе карбоновые детали без ощутимых затрат.

Для проведения работ вам потребуется ряд инструментов: карбоновый лист, отвердитель, эпоксидная смола, валик для выдавливания пузырей и кисть для нанесения смолы.

Также вам потребуется форма, по которой вы будете изготавливать деталь. В первую очередь необходимо нанести на форму разделительный воск и дождаться его высыхания. После этого следует нанести эпоксидную смолу, на которой начать формировать слой углепластика. Следите за тем, чтобы под слоями карбона не оставалось пузырей, а его сцепление с формой было максимальным. Для этого следует воспользоваться валиком.

После того как заготовка полностью высохнет, можно достать деталь, почистить её и покрыть лаком для обеспечения защиты покрытия.

Изготовление формы с использованием вакуума

Первые шаги в изготовлении этим способом похожи на предыдущий. Изменения присутствуют в самой форме и в порядке действий, после того как все слои углепластика выложены на форму. После этого необходимо поместить всю конструкцию в вакуумную плёнку и подключить к ней вакуумный насос. Насос откачает весь воздух и создаст давление для лучшего приставания детали к форме.

Этот способ очень хорош и позволит получать качественные детали. Однако обойдётся он довольно дорого, особенно по сравнению со способом ручного формирования: вакуумный насос стоит порядка 200 долларов.

Способ обклейки

Заключается этот способ в том, чтобы готовые детали автомобиля обклеить карбоновым материалом, а не изготавливать новые. Это не облегчит конструкцию автомобиля, зато позволит повысить прочность деталей. Например, можно обклеить капот автомобиля, бампера или приборную панель.

Порядок действий для этого способа следующий:

  1. Сначала необходимо подготовить ту поверхность, которую вы собираетесь обклеивать. Для этого необходимо её тщательно очистить, избавиться от резких углов и обезжирить. Далее, следует нанести клей на поверхность, а материал пропитать эпоксидной смолой и отвердителем. Карбоновые листы нужно приклеить к поверхности, избегая образования пузырей, после чего высушить её и покрыть лаком.
  2. Не путайте обклейку углепластиком и обклейку карбоновой плёнкой. В этом случае карбоновая плёнка представляет собой обычный автовинил с рисунком, похожим на покрытие из углепластика. Он применяется исключительно в декоративных целях и не несёт цели сделать детали прочнее или легче. Тем не менее, если вам важна только внешность, этот способ может вам подойти — осуществить его легче и дешевле всего. Однако делать этого мы не советуем, так как такие плёнки окажут не самое лучшее влияние на покрытие кузова вашего автомобиля.

Таким образом, вы теперь знаете, как сделать карбон самостоятельно. Для этого потребуется лишь наличие материала, умение обращаться с инструментами и некоторое терпение. Если эта статья оказалась для вас полезной, напишите нам.

углерода | Факты, использование и свойства

Свойства и использование

По весу углерод занимает 19-е место по содержанию элементов в земной коре, и, по оценкам, во Вселенной в 3,5 раза больше атомов углерода, чем атомов кремния. Только водород, гелий, кислород, неон и азот атомно более распространены в космосе, чем углерода. Углерод — это космический продукт «горения» гелия, в котором три ядра гелия с атомным весом 4 сливаются, образуя ядро ​​углерода с атомным весом 12.

Британская викторина

Материал, из которого сделаны вещи

Gunsmoke — популярная телевизионная программа, в которой участвовали актеры, но знаете ли вы, из чего сделан порох? Узнайте больше о строительных блоках веществ в этой викторине по материалам и компонентам.

В земной коре элементарный углерод является второстепенным компонентом.Однако соединения углерода (т.е. карбонаты магния и кальция) образуют обычные минералы (например, магнезит, доломит, мрамор или известняк). Кораллы и раковины устриц и моллюсков состоят в основном из карбоната кальция. Углерод широко распространен в виде угля и органических соединений, которые составляют нефть, природный газ и все ткани растений и животных. Естественная последовательность химических реакций, называемых углеродным циклом, включающая преобразование атмосферного углекислого газа в углеводы путем фотосинтеза в растениях, потребление этих углеводов животными и их окисление в процессе метаболизма с образованием углекислого газа и других продуктов, а также возврат углерода. диоксид в атмосферу — один из важнейших биологических процессов.

Углерод как элемент был обнаружен первым человеком, обработавшим древесный уголь из огня. Таким образом, вместе с серой, железом, оловом, свинцом, медью, ртутью, серебром и золотом углерод был одним из небольшой группы элементов, хорошо известных в древнем мире. Современная химия углерода берет свое начало с разработки углей, нефти и природного газа в качестве топлива и с объяснения синтетической органической химии, которые в значительной степени развивались с 1800-х годов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Элементарный углерод существует в нескольких формах, каждая из которых имеет свои физические характеристики. Две из его четко определенных форм, алмаз и графит, имеют кристаллическую структуру, но они различаются по физическим свойствам, потому что расположение атомов в их структурах отличается. Третья форма, называемая фуллереном, состоит из множества молекул, полностью состоящих из углерода. Сфероидальные фуллерены с закрытой клеткой называются бакерминстерфуллеренами, или «бакиболлы», а цилиндрические фуллерены — нанотрубками.Четвертая форма, называемая Q-углеродом, является кристаллической и магнитной. Еще одна форма, называемая аморфным углеродом, не имеет кристаллической структуры. Другие формы, такие как технический углерод, древесный уголь, сажа, уголь и кокс, иногда называют аморфными, но рентгеновское исследование показало, что эти вещества действительно обладают низкой степенью кристалличности. Алмаз и графит встречаются на Земле в природе, и их также можно производить синтетическим путем; они химически инертны, но соединяются с кислородом при высоких температурах, как и аморфный углерод.Фуллерен был случайно обнаружен в 1985 году как синтетический продукт в ходе лабораторных экспериментов по моделированию химического состава атмосферы гигантских звезд. Позже было обнаружено, что он встречается в природе в крошечных количествах на Земле и в метеоритах. Q-углерод также является синтетическим, но ученые предполагают, что он может образовываться в жарких средах ядер некоторых планет.

фуллерен

Две структуры фуллерена: удлиненная углеродная нанотрубка и сферический бакминстерфуллерен, или «бакиболл.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Слово углерод , вероятно, происходит от латинского carb , что означает «уголь», «древесный уголь», «тлеющий уголь». Термин алмаз, , искаженное греческое слово adamas , «непобедимый», точно описывает постоянство этой кристаллизованной формы углерода, точно так же, как графит , название другой кристаллической формы углерода, полученной из греческий глагол graphein , «писать», отражает его свойство оставлять темный след при трении о поверхность.До открытия в 1779 году того, что графит при горении на воздухе образует двуокись углерода, графит путали как с металлическим свинцом, так и с похожим на поверхность веществом, минералом молибденитом.

Чистый алмаз — это самое твердое из известных природных веществ, которое плохо проводит электричество. С другой стороны, графит — это мягкое скользкое твердое вещество, которое хорошо проводит как тепло, так и электричество. Углерод как алмаз является самым дорогим и блестящим из всех природных драгоценных камней и самым твердым из абразивов природного происхождения.Графит используется как смазка. В микрокристаллической и почти аморфной форме он используется как черный пигмент, как адсорбент, как топливо, как наполнитель для резины и, смешанный с глиной, как «грифель» карандашей. Поскольку он проводит электричество, но не плавится, графит также используется для изготовления электродов в электрических печах и сухих элементах, а также для изготовления тиглей, в которых плавятся металлы. Молекулы фуллерена являются многообещающими для множества применений, включая материалы с высокой прочностью на разрыв, уникальные электронные устройства и устройства хранения энергии, а также безопасную герметизацию горючих газов, таких как водород.Q-углерод, который создается путем быстрого охлаждения образца элементарного углерода, температура которого повышена до 4000 K (3727 ° C [6740 ° F]), тверже, чем алмаз, и его можно использовать для изготовления алмазных структур (таких как в виде алмазных пленок и микроигл) внутри своей матрицы. Элементарный углерод нетоксичен.

Каждая из «аморфных» форм углерода имеет свой специфический характер, и, следовательно, каждая имеет свои специфические области применения. Все они являются продуктами окисления и других форм разложения органических соединений.Например, уголь и кокс широко используются в качестве топлива. Древесный уголь используется в качестве абсорбирующего и фильтрующего агента, а также в качестве топлива и когда-то широко использовался в качестве ингредиента в порохе. (Уголь — это элементарный углерод, смешанный с различными количествами углеродных соединений. Кокс и древесный уголь — это почти чистый углерод.) В дополнение к использованию в производстве чернил и красок сажа добавляется в резину, используемую в шинах, для улучшения ее износостойкости. Костный черный или животный уголь может адсорбировать газы и красящие вещества из многих других материалов.

Углерод, элементарный или комбинированный, обычно определяется количественно путем преобразования в газообразный диоксид углерода, который затем может поглощаться другими химическими веществами с получением взвешиваемого продукта или раствора с кислотными свойствами, который можно титровать.

Производство элементарного углерода

До 1955 года все алмазы добывались из природных месторождений, наиболее значительных в южной части Африки, но также встречающихся в Бразилии, Венесуэле, Гайане и Сибири. Единственный известный источник в Соединенных Штатах, в Арканзасе, не имеет коммерческого значения; Индия, когда-то являвшаяся источником прекрасных алмазов, не является важным поставщиком в настоящее время.Основным источником алмазов является мягкая голубоватая перидотическая порода, называемая кимберлитом (по названию известного месторождения в Кимберли, Южная Африка), обнаруженная в вулканических структурах, называемых трубками, но многие алмазы встречаются в аллювиальных отложениях, предположительно в результате выветривания первичных источников. Единичные находки по всему миру в регионах, где не указаны источники, не были редкостью.

Природные отложения обрабатываются дроблением, гравитационным и флотационным разделением, а также удалением алмазов путем их прилипания к слою смазки на подходящем столе.В результате получаются следующие продукты: (1) собственно алмаз — искаженные кубические кристаллические камни ювелирного качества от бесцветных до красных, розовых, голубых, зеленых или желтых; (2) борт — мелкие темные кристаллы абразивного, но не ювелирного качества; 3) баллас — хаотически ориентированные кристаллы абразивного качества; (4) маклы — треугольные кристаллы в форме подушечек, которые используются в промышленности; 5) карбонадо — смешанные алмазно-графитовые кристаллиты, содержащие другие примеси.

Успешная лабораторная переработка графита в алмаз была произведена в 1955 году.Процедура включала одновременное использование чрезвычайно высокого давления и температуры с железом в качестве растворителя или катализатора. Впоследствии железо заменили хромом, марганцем, кобальтом, никелем и танталом. Синтетические алмазы в настоящее время производятся в нескольких странах и все чаще используются вместо природных материалов в качестве промышленных абразивов.

Графит естественным образом встречается во многих областях, при этом наиболее важные месторождения находятся в Китае, Индии, Бразилии, Турции, Мексике, Канаде, России и на Мадагаскаре.Используются как открытая, так и глубокая добыча полезных ископаемых с последующей флотацией, но основная часть товарного графита производится путем нагревания нефтяного кокса в электрической печи. Лучше кристаллизованная форма, известная как пиролитический графит, получается при разложении низкомолекулярных углеводородов под действием тепла. Графитовые волокна со значительной прочностью на разрыв получают путем карбонизации натуральных и синтетических органических волокон.

Углеродные продукты получают путем нагревания угля (для получения кокса), природного газа (для получения сажи) или углеродистых материалов растительного или животного происхождения, таких как дерево или кость (для получения древесного угля), при повышенных температурах в присутствии недостаточное количество кислорода для горения.Летучие побочные продукты рекуперируются и используются отдельно.

Углерод (элемент) — факты, открытия, атомная структура и использование

Карбон — невероятный элемент. Расположите атомы углерода в одном порядке, и они станут мягким, податливым графитом. Переложите аранжировку и — готово! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.

Углерод также является ключевым ингредиентом большей части жизни на Земле; пигмент, которым были сделаны первые татуировки; и основа для технологических чудес, таких как графен, который является материалом, более прочным, чем сталь, и более гибким, чем резина.[См. Периодическую таблицу элементов]

Углерод естественным образом встречается в виде углерода-12, который составляет почти 99 процентов углерода во Вселенной; углерод-13, составляющий около 1 процента; и углерод-14, который составляет ничтожное количество общего углерода, но очень важен при датировании органических объектов.

Только факты

  • Атомный номер (количество протонов в ядре): 6
  • Символ атома (в Периодической таблице элементов): C
  • Атомный вес (средняя масса атома): 12.0107
  • Плотность: 2,2670 грамма на кубический сантиметр
  • Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
  • Точка плавления: 6422 градуса по Фаренгейту (3550 градусов C)
  • Точка кипения: 6872 F (3800 C) (сублимация)
  • Количество изотопов : Всего 15; два стабильных изотопа, которые представляют собой атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
  • Наиболее распространенные изотопы: углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерод-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)

Углерод: от звезд к жизни

В качестве шестого по распространенности По данным Центра астрофизики и суперкомпьютеров Суинберна, углерод образуется в недрах звезд в результате реакции, называемой процессом тройного альфа.

В старых звездах, которые сожгли большую часть своего водорода, накапливается остаток гелия. В каждом ядре гелия есть два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100000000 Кельвинов (179 999 540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала в виде пар в нестабильные 4-протонные ядра бериллия, а в конечном итоге, когда возникает достаточное количество ядер бериллия, в бериллий плюс гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углерод.

Хотя ученые иногда представляют себе электроны, вращающиеся вокруг ядра атома в определенной оболочке, на самом деле они летают вокруг ядра на различных расстояниях; этот вид атома углерода можно увидеть здесь на двух фигурах электронных облаков (внизу), показывая электроны в одной капле (так называемая s-орбиталь) и в двухлепестковой капле или облаке (p-орбиталь). .(Изображение предоставлено: Physical Review B, DOI: 10.1103 / PhysRevB.80.165404)

Carbon — производитель моделей. Он может соединяться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он также может связываться с четырьмя другими атомами из-за своего электронного расположения. Атомы расположены в виде ядра, окруженного электронным облаком, причем электроны кружатся на разном расстоянии от ядра. По данным Калифорнийского университета в Дэвисе, химики воспринимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.Углерод имеет две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из восьми возможных пространств. Когда атомы связываются, они разделяют электроны в своей внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства во внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим количеством атомов, образуя двойные и тройные связи.)

Другими словами, у углерода есть варианты. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и, по оценкам ученых, углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений, согласно веб-сайту Chemistry Explained.Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что он имеет решающее значение почти для всего живого.

Открытие углерода потеряно для истории. Элемент был известен доисторическим людям в виде древесного угля. По данным Всемирной угольной ассоциации, углерод, как уголь, по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, другая форма углерода, является обычным промышленным смазочным материалом.

Углерод-14 — радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для датировки объектов и останков. Углерод-14 встречается в атмосфере в естественных условиях. По данным Университета штата Колорадо, растения принимают его в процессе дыхания, в ходе которого они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, обратно в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Животные включают углерод-14 в свое тело, поедая растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.

Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает с некогда живыми организмами, включая предметы из дерева или другого растительного материала.

Кто знал?

  • Углерод получил свое название от латинского слова carb , что означает «уголь».
  • Алмазы и графит являются одними из самых твердых и самых мягких известных природных материалов соответственно.22) фунтов.
  • Двуокись углерода (атом углерода плюс два атома кислорода) составляет около 0,04 процента атмосферы Земли, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) — это больше, чем в доиндустриальные времена, из-за сжигания ископаемого топлива.
  • Окись углерода (атом углерода плюс один атом кислорода) — это газ без запаха, образующийся при сжигании ископаемого топлива. Окись углерода убивает, связываясь с гемоглобином, соединением, переносящим кислород в крови.Окись углерода связывается с гемоглобином в 210 раз сильнее, чем кислород, связывается с гемоглобином, эффективно вытесняя кислород и удушая ткани, согласно статье 2001 года в журнале Королевского медицинского общества.
  • Алмаз, самая яркая версия углерода, образуется под большим давлением глубоко в земной коре. По данным Royal Collection Trust, самым крупным из когда-либо обнаруженных алмазов ювелирного качества был алмаз Куллинан, который был обнаружен в 1905 году. Неограненный алмаз был 3106 штук.75 карат. Самый большой драгоценный камень, вырезанный из камня, весом 530,2 карата, является одной из жемчужин короны Соединенного Королевства и известен как Великая звезда Африки.
  • Татуировки ледяного человека Эци, трупа возрастом 5300 лет, обнаруженного в замороженном состоянии в Альпах, были сделаны из углерода, согласно исследованию 2009 года, опубликованному в Journal of Archaeological Science. На коже делали небольшие разрезы и втирали древесный уголь, возможно, как часть лечения иглоукалыванием.

Текущие исследования

Углерод — элемент давно изучаемый, но это не значит, что открывать больше нечего.Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки сжигали в виде древесного угля, может стать ключом к технологическим материалам следующего поколения.

В 1985 году Рик Смолли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги открыли новую форму углерода. По данным Американского химического общества, испаряя графит с помощью лазеров, ученые создали загадочную новую молекулу, состоящую из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой в форме футбольного мяча, состоящей из 60 атомов углерода. Исследовательская группа назвала свое открытие бакминстерфуллереном в честь архитектора, спроектировавшего геодезические купола.Эта молекула теперь более известна как «бакибол». Обнаружившие его исследователи получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Согласно исследованию, опубликованному в 2009 году в Журнале химической информации и моделирования, Buckyballs препятствуют распространению ВИЧ; медицинские исследователи работают над прикреплением лекарств, молекула за молекулой, к бакиболам, чтобы доставлять лекарства непосредственно к местам инфекции или опухолям в организме; это включает исследования Колумбийского университета, Университета Райса и других.

С тех пор были открыты и другие новые молекулы чистого углерода, называемые фуллеренами, в том числе эллиптические «бакьягцы» и углеродные нанотрубки с удивительными проводящими свойствами. Углеродная химия все еще достаточно популярна, чтобы получить Нобелевские премии: в 2010 году исследователи из Японии и США выиграли одну за то, что выяснили, как связать атомы углерода вместе с помощью атомов палладия — метода, который позволяет производить большие и сложные молекулы углерода. в Нобелевский фонд.

Ученые и инженеры работают с этими углеродными наноматериалами, чтобы создавать материалы прямо из научной фантастики. В статье 2010 года в журнале Nano Letters сообщается об изобретении гибких проводящих тканей, погруженных в «чернила» из углеродных нанотрубок, которые можно использовать для хранения энергии, возможно, открывая путь для носимых батарей, солнечных элементов и другой электроники.

Однако, возможно, одна из самых горячих областей в современных исследованиях углерода связана с «чудо-материалом» графеном.Графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Это самый прочный из известных материалов, при этом он остается сверхлегким и гибким. И проводит электричество лучше, чем медь.

Массовое производство графена представляет собой проблему, хотя исследователи в апреле 2014 года сообщили, что они могут производить большие количества графена, используя только кухонный блендер. Если ученые смогут выяснить, как легко сделать много графена, этот материал может стать огромным в техническом плане. Представьте себе гибкие, небьющиеся гаджеты, которые к тому же тонкие как бумага.Углерод действительно прошел долгий путь от древесного угля и алмазов.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой крохотную соломоподобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти лампы чрезвычайно полезны в большом количестве электронных, магнитных и механических технологий. Диаметр этих трубок настолько мал, что измеряется нанометрами. Нанометр равен одной миллиардной метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки как минимум в 100 раз прочнее стали, но лишь в шесть раз меньше их веса, поэтому, согласно данным nanoScience Instruments, они могут повысить прочность практически любого материала.Они также лучше, чем медь, проводят электричество и тепло.

Нанотехнологии применяются для превращения морской воды в питьевую. В новом исследовании ученые Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) разработали процесс получения углеродных нанотрубок, который позволяет извлекать соль из морской воды гораздо эффективнее, чем традиционные технологии.

Например, традиционные процессы опреснения закачивают морскую воду под высоким давлением, направляя ее через мембраны обратного осмоса.Эти мембраны затем задерживают все крупные частицы, включая соли, позволяя проходить только чистой воде. Однако, по данным LLNL, эти опреснительные установки очень дороги и могут обрабатывать только около 10 процентов потребности округа в воде.

В исследовании нанотрубок ученые имитировали структуру биологических мембран: по сути, это матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно маленькие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.Эти крошечные нанотрубки пропускают очень сильный поток воды, но они настолько узкие, что только одна молекула воды может проходить через трубку за раз. И самое главное, ионы соли слишком велики, чтобы пройти через трубку.

Исследователи считают, что новое открытие имеет важное значение для следующего поколения как процессов очистки воды, так и высокопроницаемых мембранных технологий.

Дополнительный отчет от Трейси Педерсен, сотрудника Live Science.

Следуйте за Стефани Паппас в Twitter и Google+ .Следуйте за нами @livescience , Facebook и Google+ .

Узнайте больше о углероде:

It’s Elemental — The Element Углерод

Что в названии? От латинского слова древесный уголь carb .

Сказать что? Углерод произносится как KAR-ben .

Углерод, шестой по численности элемент во Вселенной, был известен с древних времен.Углерод чаще всего получают из угольных месторождений, хотя обычно его необходимо перерабатывать в форму, пригодную для коммерческого использования. Известно, что существуют три встречающихся в природе аллотропа углерода: аморфный, графитовый и алмазный.

Аморфный углерод образуется, когда материал, содержащий углерод, сжигается без достаточного количества кислорода для полного сгорания. Эта черная сажа, также известная как сажа, газовая сажа, канальная сажа или технический углерод, используется для изготовления чернил, красок и резиновых изделий. Из него также можно придавать форму и, помимо прочего, он используется для формирования сердечников большинства сухих аккумуляторных батарей.

Графит, один из самых мягких известных материалов, представляет собой форму углерода, которая в основном используется в качестве смазки. Хотя это действительно происходит в природе, большая часть промышленного графита производится путем обработки нефтяного кокса, остатка черной смолы, остающегося после очистки сырой нефти, в бескислородной печи. Встречающийся в природе графит встречается в двух формах: альфа и бета. Эти две формы имеют идентичные физические свойства, но разные кристаллические структуры. Весь искусственно созданный графит относится к альфа-типу.Помимо использования в качестве смазки, графит в форме, известной как кокс, в больших количествах используется при производстве стали. Кокс получают путем нагревания мягкого угля в печи без смешивания с ним кислорода. Хотя его обычно называют свинцом, черный материал, используемый в карандашах, на самом деле является графитом.

Алмаз, третья встречающаяся в природе форма углерода, является одним из самых твердых известных веществ. Хотя природные алмазы обычно используются для изготовления ювелирных изделий, большинство алмазов коммерческого качества производятся искусственно.Эти маленькие алмазы получают путем сжатия графита при высоких температурах и давлениях в течение нескольких дней или недель и в основном используются для изготовления таких вещей, как пильные диски с алмазными наконечниками. Хотя они обладают очень разными физическими свойствами, графит и алмаз отличаются только своей кристаллической структурой.

Четвертый аллотроп углерода, известный как белая сажа, был получен в 1969 году. Это прозрачный материал, который может разделить одиночный луч света на два луча, свойство, известное как двойное лучепреломление.Об этой форме углерода известно очень мало.

Большие молекулы, состоящие только из углерода, известные как бакминстерфуллерены, или бакиболлы, были недавно обнаружены и в настоящее время представляют большой научный интерес. Один бакибол состоит из 60 или 70 атомов углерода (C 60 или C 70 ), связанных вместе в структуру, которая выглядит как футбольный мяч. Они могут улавливать другие атомы в своей структуре, кажутся способными выдерживать большие давления и обладают магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Углерод-14, радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет, используется для определения возраста ранее живых существ с помощью процесса, известного как радиоуглеродное датирование. Теория углеродного датирования довольно проста. Ученые знают, что небольшое количество встречающегося в природе углерода — это углерод-14. Хотя углерод-14 распадается на азот-14 посредством бета-распада, количество углерода-14 в окружающей среде остается постоянным, потому что новый углерод-14 всегда создается в верхних слоях атмосферы космическими лучами.Живые существа склонны поглощать материалы, содержащие углерод, поэтому процентное содержание углерода-14 в живых существах такое же, как процентное содержание углерода-14 в окружающей среде. Когда организм умирает, он больше ничего не глотает. Углерод-14 в этом организме больше не заменяется, и процентное содержание углерода-14 начинает уменьшаться по мере его распада. Измеряя процентное содержание углерода-14 в остатках организма и предполагая, что естественное содержание углерода-14 остается постоянным с течением времени, ученые могут оценить, когда этот организм умер.Например, если концентрация углерода-14 в останках организма составляет половину естественной концентрации углерода-14, ученый оценит, что этот организм умер примерно 5730 лет назад, в период полураспада углерода-14.

Существует около десяти миллионов известных соединений углерода, и их изучению посвящена целая отрасль химии, известная как органическая химия. Многие углеродные соединения необходимы для жизни, какой мы ее знаем. Некоторые из наиболее распространенных углеродных соединений: диоксид углерода (CO 2 ), монооксид углерода (CO), сероуглерод (CS 2 ), хлороформ (CHCl 3 ), четыреххлористый углерод (CCl 4 ), метан (CH 4 ), этилен (C 2 H 4 ), ацетилен (C 2 H 2 ), бензол (C 6 H 6 ), этиловый спирт (C 2 H 5 OH) и уксусной кислоты (CH 3 COOH).

обнаруженных алмазов | Наука | Смитсоновский журнал

В 1958 году ювелир Гарри Уинстон подарил Смитсоновскому институту знаменитый бриллиант Надежды — самый большой в мире темно-синий бриллиант. Он прибыл в простой коричневой упаковке заказным письмом со страховкой на один миллион долларов.Окруженный 16 белыми бриллиантами грушевидной огранки и огранки «кушон» и свисающий на цепочке с 45 бриллиантами, этот редкий камень ежегодно привлекает 6 миллионов посетителей в Музей естествознания. Чип Кларк У бриллианта Blue Heart, вырезанного из камня весом 100 карат, найденного на руднике Premiere Mine в Южной Африке в 1909 году, было несколько владельцев, прежде чем он был подарен Смитсоновскому институту Марджори Мерриуэзер Пост в 1964 году.Он весит 30,62 карата. Чип Кларк Португальский бриллиант — самый крупный ограненный бриллиант в Национальной коллекции драгоценных камней, весит 127,01 карата. Под воздействием ультрафиолетового света алмаз становится достаточно ярким, чтобы его можно было прочитать. Чип Кларк

Как образуются алмазы?

Алмазы образуются глубоко внутри Земли примерно на 100 миль ниже поверхности в верхней мантии.Очевидно, в этой части Земли очень жарко. Существует большое давление, вес вышележащей породы давит вниз, так что сочетание высокой температуры и высокого давления — это то, что необходимо для выращивания кристаллов алмаза на Земле. Насколько нам известно, все алмазы, которые образовались на Земле, образовались в таких условиях, и, конечно же, это часть Земли, которую мы не можем напрямую отобрать. У нас нет никакого способа пробурить эту глубину или каким-либо другим способом спуститься к верхней мантии Земли.

Как алмазы попадают на поверхность Земли?

Алмазы, которые мы видим на поверхности, — это алмазы, которые были вынесены на поверхность в результате очень глубокого извержения вулкана. Это извержение особого вида, которое считается довольно сильным, произошло очень давно в истории Земли. В последнее время мы не видели таких извержений. Вероятно, они были в то время, когда Земля была горячее, и, вероятно, поэтому эти извержения имели более глубокие корни.Эти извержения затем перенесли уже сформированные алмазы из верхней мантии на поверхность Земли. Когда извержение достигло поверхности, оно образовало холм из вулканического материала, который в конечном итоге остыл, и в нем содержатся алмазы. Это так называемые кимберлиты, которые обычно являются источниками многих добываемых в мире алмазов.

Таким образом, одна из вещей, которые мы знаем о любых алмазах, которые были вынесены на поверхность, заключается в том, что процесс извержения кимберлита, принесший алмазы из верхней мантии на поверхность Земли, должен был произойти очень быстро, потому что, если бы они были путешествуя слишком долго и слишком медленно, они буквально по пути превратились бы в графит.И поэтому, двигаясь быстро, они, по сути, закрепились в алмазной структуре. После того, как алмазы были переведены из высокой температуры в низкую очень быстро — и под быстрым, мы подразумеваем за считанные часы — эти извержения, эти кимберлитовые трубки, движущиеся к поверхности, могли перемещаться со скоростью от 20 до 30 миль в секунду. час. Как только алмазы поднимаются на поверхность и относительно быстро охлаждаются, эти атомы углерода фиксируются на своих местах, и энергии просто не хватает, чтобы начать преобразовывать их в графит.

Какова роль углерода в формировании алмазов?

Алмазы состоят из углерода, поэтому они образуются в виде атомов углерода при высокой температуре и давлении; они соединяются вместе, чтобы начать выращивать кристаллы. Из-за температуры и давления в этих условиях атомы углерода будут связываться друг с другом в этом очень прочном типе связи, когда каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода. Вот почему алмаз — такой твердый материал, потому что каждый атом углерода участвует в четырех из этих очень прочных ковалентных связей, которые образуются между атомами углерода.В результате вы получите этот твердый материал. Опять же, откуда берется углерод, как быстро они растут, это все еще открытые вопросы, но, очевидно, условия таковы, что у вас есть группа атомов углерода, которые находятся достаточно близко друг к другу, чтобы они начали связываться. По мере приближения других атомов углерода они присоединяются. Так растет любой кристалл. Это процесс фиксации атомов на месте, который создает эту повторяющуюся сеть, эту структуру атомов углерода, которая в конечном итоге становится достаточно большой, чтобы производить кристаллы, которые мы можем видеть.Каждый из этих кристаллов, каждый алмаз, алмаз в один карат представляет собой буквально миллиарды и миллиарды атомов углерода, которые все должны были встать на место, чтобы сформировать эту очень упорядоченную кристаллическую структуру.

Вы упомянули, что ученые не знают, откуда берется углерод. Какие есть возможные источники?

В некоторых случаях углерод, кажется, возник в мантии Земли, поэтому углерод уже был в Земле. В других случаях есть весьма любопытные доказательства того, что углерод мог образоваться вблизи поверхности Земли.Существует мнение, что этот углерод в буквальном смысле мог быть углеродом, который был частью карбонатных отложений или животных, растений, раковин, чего угодно, который был перенесен в верхнюю мантию Земли с помощью механизма тектоники плит, называемого субдукцией.

Сколько времени нужно на формирование бриллианта?

Мы действительно не знаем, сколько времени это займет. Были попытки датировать включения в различных частях алмазов, но в основном они не увенчались успехом.Может случиться так, что алмазы образуются за периоды от нескольких дней, недель, месяцев до миллионов лет. Обычно, как и в случае со многими кристаллами, которые растут на Земле, это не непрерывный процесс. Алмазы могут начать расти, а затем по какой-то причине может произойти перерыв — изменение условий, температуры, давления, источника углерода и т. Д. — и они могут просидеть миллионы, сотни миллионов лет, а затем снова начать расти. . Это часть проблемы попытки наложить на них какой-то период роста; вещи не всегда происходят на Земле непрерывно.

Мы можем выращивать алмазы в лаборатории и моделировать там условия. Но есть вещи, которые мы должны делать для выращивания алмазов в лаборатории, и не совсем ясно, как это происходит на Земле. Обычно их выращивают в лаборатории, но есть катализатор. Некоторые металлы часто добавляют, чтобы вызвать рост алмазов, но эти же катализаторы не наблюдаются в алмазах из верхней мантии Земли.

Сколько же тогда лет бриллиантам?

Все алмазы, насколько нам известно, на Земле довольно старые.Большая часть алмазов, вероятно, образовалась на Земле в первые пару миллиардов лет истории Земли. Были обнаружены более молодые месторождения алмазов — самой породе, кимберлиту, может быть, всего несколько десятков сотен миллионов лет. Метод, которым они датируют алмазы, обычно основан на включении в алмазе других минералов, которые можно датировать радиоактивно. Сами бриллианты нельзя датировать. Но если минеральные включения содержат определенные элементы, такие как калий, и вещи, которые можно использовать в схеме радиоактивного датирования, то, датируя включения в алмазе, вы получите некоторое представление о возрасте самого алмаза.И эти даты всегда говорят о том, что бриллианты довольно старые. По крайней мере, сотни миллионов лет, но в большинстве случаев миллиарды лет, от одного до трех миллиардов лет, время, когда Земля, вероятно, была горячее, чем сегодня, и поэтому условия, возможно, были более подходящими для роста алмазов.

Сколько лет знаменитому алмазу Надежды, выставленному в Смитсоновском музее естественной истории?

Алмазу Надежды не менее миллиарда лет. Вы не видите оригинальную породу, которая вынесла алмазы на поверхность, но в Индии нашли несколько кимберлитов, в которых действительно есть доказательства наличия в них алмазов.Возраст этих кимберлитов составляет не менее миллиарда лет. Таким образом, можно предположить, что алмаз «Хоуп» и аналогичные алмазы, найденные в Индии, были обнаружены на поверхности не менее миллиарда лет назад, а, возможно, и раньше. Таким образом, мы можем спокойно сказать, что Алмазу Надежды не менее миллиарда лет. Если посмотреть на возрастной разброс большинства других бриллиантов, он, вероятно, намного старше этого.

Что делает алмаз надежды таким необычным?

Его размер и цвет делают его очень необычным.Когда вы думаете об истории добычи алмазов, когда-либо находили только один алмаз, из которого получился темно-синий алмаз размером и качеством с бриллиантом надежды. Это дает вам некоторое представление о том, насколько это необычно и замечательно. Опять же, я всегда утверждал, что это такой же замечательный объект естественной истории, как продукт Земли и как драгоценный камень, вырезанный человеком. В большинстве случаев, когда люди пишут об алмазе надежды, они начинают со слов: «Ну, его нашли в Индии». Часть того, что я всегда пытаюсь донести до людей, заключается в том, что история началась намного раньше.Многие алмазы никогда не доходят до этой точки, потому что они просто не пережили все эти вещи, которые должны были произойти.

Во второй части вы узнаете о цветных алмазах, о том, как ученые выращивают синтетические бриллианты в лаборатории, и о глобальных усилиях по ограничению продажи конфликтных алмазов. В заключительной части этой серии из трех частей откройте для себя увлекательные истории, стоящие за коллекцией Смитсоновского института.

Бриллианты Музеи Музей естественной истории

Изменение климата: 6 вариантов использования CO2, которые могут сократить выбросы и заработать деньги

Это третья часть серии из четырех частей по улавливанию и утилизации углерода (CCU), развивающейся отрасли, посвященной использованию углекислого газа, улавливаемого из атмосферы, для борьбы с изменением климата.В первой части представлена ​​модель CCU и ее основные формы, а во второй части — о для повышения нефтеотдачи , наибольшем текущем использовании CO2. Четвертый пост рассматривает , как политики должны подходить к технологиям CCU .


На данный момент хорошо известно, что углекислый газ является смертельным загрязнителем, разогревающим атмосферу. Менее понятен тот факт, что CO2 также является полезным сырьем, используемым в различных промышленных процессах.От пластика до бетона, CO2 является основным строительным материалом для промышленности и является ценным товаром.

Для многих борцов за климат это говорит о том, что, возможно, нам следует использовать больше. Возможно, если бы отрасли, использующие CO2, получили стимул к увеличению их использования, мы могли бы использовать достаточно, чтобы существенно уменьшить количество, которое мы выбрасываем в атмосферу.

Используйте больше; испускать меньше. Это основная идея, лежащая в основе улавливания и использования углерода (CCU), одной из самых горячих тем в области экологически чистой энергии в наши дни.

В моем первом посте из этой серии я представил концепцию CCU и его основные формы. Во втором я внимательно рассмотрел то, что в настоящее время является наиболее распространенным промышленным использованием CO2, а именно повышение нефтеотдачи (EOR), когда CO2 закачивается в отработанные скважины, чтобы выжать больше нефти и газа. (Это сложно.)

В этом посте мы собираемся взглянуть на другие виды промышленного использования CO2, чтобы попытаться понять, насколько они жизнеспособны, каков их общий потенциал и могут ли они сыграть значительную роль в борьбе. против изменения климата.Веселые времена!

Одно важное замечание: в этой статье я рассматриваю производственные процессы. Они включают извлечение СО2 из воздуха — либо из дымовых газов промышленных предприятий, с помощью традиционного улавливания углерода, либо из окружающего воздуха с помощью прямого улавливания воздуха (DAC), концентрируя его и используя в качестве промышленного сырья.

Существует также ряд естественных способов сбора большего количества CO2, от насаждения большего количества лесов до связывания большего количества углерода в почве.Они интересны и потенциально значительного масштаба, но заслуживают отдельного поста. Этот пост о машинах.

Гигантская машина для удаления CO2 из воздуха. Углеродная инженерия

Три важных способа оценки технологий CCU

Прежде чем мы перейдем к различным формам CCU, давайте вспомним три важных вопроса, которые нам нужно задать обо всех из них, когда мы будем оценивать их.

Вопросы взяты из гигантского обзора литературы по CCU, недавно опубликованного в журнале Nature , который оценил более 11000 статей и сопровождался обзором мнений экспертов. Это помогает четко сфокусировать ключевые показатели, используемые при оценке этих технологий.

Первый вопрос: приносит ли технология CCU пользу климату? Снижает ли это выбросы углерода, и если да, то насколько? Улавливает ли он углерод, и если да, то как долго?

Здесь есть несколько пересекающихся понятий, которые часто объединяются в популярных диалогах, поэтому стоит их различать.Вот как это делает бумага Nature :

  • CO2u: использование CO2
  • CO2ρ: сокращение выбросов CO2 по сравнению с исходным уровнем
  • CO2r: удаление CO2 из атмосферы
  • CO2s: хранение CO2
Способы использования СО2. Королевское общество

Различные технологии CCU включают в себя различные их комбинации. Определение чистого углеродного воздействия технологии CCU включает анализ жизненного цикла (LCA), который учитывает, откуда поступает CO2, сколько энергии используется в производстве, откуда берется энергия, сколько CO2 выделяется во время производства, улавливается любой из выпущенного CO2, как продукт в конечном итоге утилизируется и что произошло бы в отсутствие производства.(LCA чертовски сложна, и в настоящее время нет широко распространенных стандартов, регулирующих ее выполнение.)

Некоторые виды использования СО2 — например, производство жидкого топлива, которое заменяет бензин и дизельное топливо — блокируют только углерод до тех пор, пока топливо не сгорит, после чего он повторно выбрасывается в атмосферу. Они не столько удаляют CO2 из атмосферы, сколько рециркулируют его один раз, а затем возвращают обратно; В статье Nature они называются «циклическими» процессами. Но, заменяя углеродно-нейтральный процесс углеродоемким, они сокращают чистые выбросы (CO2ρ) по сравнению с тем, что произошло бы в противном случае.

Другие виды использования CO2 — скажем, в процессе производства цемента — удерживают углерод гораздо дольше. Бетон не будет постоянно удерживать СО2 вне атмосферы, но вполне может хранить его в течение столетия или дольше, поэтому для всех целей и задач он считается хранилищем углерода (СО2). В статье Nature эти процессы называются «закрытыми».

LCA сложен, и детали важны, но один общий вывод из литературы состоит в том, что «потенциал для чистого сокращения выбросов намного больше, чем для чистого поглощения, который кажется очень скромным.«В целом, CCU, вероятно, не приведет к большому выбросу CO2, но может произвести значительное количество CO2ρ.

Оценка климатических выгод от различных вариантов CCU имеет первостепенное значение. Политики всегда должны помнить, что CCU сам по себе не является благом. К этому стоит стремиться лишь постольку, поскольку это существенно влияет на климат.

Второй вопрос: каков потенциальный масштаб технологии CCU? Если это специализированный продукт или продукт небольшого объема, возможно, не стоит прилагать усилия к исследованиям и разработкам, чтобы выяснить, как заставить его работать на коммерческой основе с уловленным CO2.Само собой разумеется, что директивным органам и инвесторам следует уделять приоритетное внимание и ресурсы, основываясь на технологиях с наибольшим общим потенциалом. (Сейчас мы рассмотрим рейтинг технологий по потенциалу.)

И третий вопрос: насколько далеко технология CCU находится в процессе обучения? Является ли это спекулятивной технологией, которая существует в основном в лаборатории и нескольких пилотных проектах, например, синтетическое жидкое топливо, или это устоявшаяся технология с краткосрочным потенциалом для роста рынка, такая как CO2 в цементе?

Все эти вопросы важны для оценки потенциала технологий CCU для предоставления практических климатических решений.

Так что это за технологии? Давайте взглянем на несколько.

Цикл CCU во всей красе. Природа

(Есть много разных способов их разделить; мой список представляет собой нечто среднее из упомянутой выше статьи Nature и этой исчерпывающей дорожной карты 2016 года, проведенной Lux Research для Глобальной инициативы по выбросам CO2.)

1. Бетонные строительные материалы

Здесь есть несколько технологий, связанных с бетоном, который представляет собой смесь цемента, воды и заполнителей.Цемент представляет собой мелкодисперсный порошок, который при активации водой связывает заполнители в жесткую смесь.

Во-первых, заполнители, которые входят в состав бетона, асфальта и строительного наполнителя, могут быть получены путем преобразования газообразного CO2 в твердые минеральные карбонаты, такие как карбонат кальция (CaCO3), процесс, известный как «минерализация CO2». (См. Голубая планета.)

Во-вторых, CO2 может заменять воду в «затвердевающем» бетоне во время его перемешивания, что приводит к аналогичной минерализации.Оказывается, это на самом деле делает бетон более прочным, а также позволяет сэкономить много воды. (См., Например, Solidia и CarbonCure.)

В-третьих, можно постепенно отказаться от цемента в пользу новых вяжущих, которые поглощают и минерализуют CO2. (См. Бетон CO2.)

Четвертая и самая спекулятивная — это многообещающая технология, продвигаемая проектом ЕС по производству извести и цемента с низкой интенсивностью выбросов (LEILAC). Процесс производства цемента и извести включает химические реакции (не сжигание ископаемого топлива), которые неизбежно выделяют CO2.LEILAC стремится настроить процесс таким образом, чтобы он создавал поток очищенных отходов CO2, который можно было бы легко улавливать и изолировать или повторно использовать.

По крайней мере теоретически, можно представить себе, что очищенные выбросы CO2 в процессе производства цемента улавливаются, а затем повторно вводятся в процесс, когда связующий агент, минерализующий CO2, смешивается с заполнителями на основе CO2. Если бы все эти части можно было выстроить в ряд — а это еще не сделано нигде в мире — полученные строительные материалы могли бы претендовать на то, чтобы быть действительно углеродноотрицательными на основе жизненного цикла.Они не только сократят чистые выбросы (CO2ρ), но и будут полупостоянно накапливать углерод (CO2).

Но если не считать этого, даже если цемент обеспечивает только CO2ρ, а не CO2, здесь открываются большие и непосредственные возможности. Эти технологии (по крайней мере, первые две) устоявшиеся и относительно низкоэнергетические; они потенциально могут привести к связыванию углерода в миллиардах тонн.

2. Жидкое топливо

Сегодня жидкое топливо — бензин, дизельное топливо и более редкие варианты, такие как авиакеросин, — получают путем переработки углеводородов, пробуренных под землей.Вместо этого они могут быть сделаны из углерода из воздуха.

«Синтетическое топливо» может производиться множеством различных способов, с использованием множества различных процессов и химических процессов, в результате чего получается множество видов топлива. Есть синтетическое топливо, которое может заменить любое жидкое топливо.

Самый простой способ думать о них — это смесь трех вещей: молекулы на основе углерода (обычно CO2), водорода и энергии. Энергия используется, чтобы оторвать кислород от углерода и прикрепить углерод к водороду.Таким образом, «углеводороды».

Углеродоемкость получаемого топлива зависит от источника всех трех компонентов: CO2, электричества и водорода.

Если CO2 поступает из подземных отложений, электричество поступает из ископаемого топлива, а водород получается в результате парового риформинга природного газа (как сегодня происходит примерно 95 процентов водорода), получаемое в результате топливо является чрезвычайно углеродоемким.

Если CO2 поступает из окружающего воздуха, электричество поступает из возобновляемых источников энергии, а водород получается в результате электролиза на солнечной энергии (который извлекает водород непосредственно из воды), в результате получается топливо с чрезвычайно низким содержанием углерода.

Углеродно-нейтральное жидкое топливо почти наверняка является крупнейшим потенциальным рынком для выбросов CO2. В мире много жидкого топлива, и существуют рынки для более чистых альтернатив, в том числе в таких штатах, как Калифорния и Орегон, со стандартом низкоуглеродного топлива (LCFS).

Хранение водорода. HyTech Power

Снижение затрат на улавливание углерода поможет с синтетическим топливом, но именно два других ингредиента, водород и энергия, составляют большую часть затрат.Для электролиза водорода требуется много энергии, а для отделения СО2 требуется еще больше. (CO2 тесно связан; он не хочет распадаться.) Вся эта энергия стоит денег.

Чрезвычайно дешевая возобновляемая энергия — ключ к созданию углеродно-нейтрального синтетического топлива, потому что это ключ к дешевому водороду, а для производства синтетического топлива в больших масштабах потребуется много водорода. В специальном отчете о секторах, которые трудно обезуглерожить, таких как промышленность и авиаперевозки, Комиссия по переходу в энергетике подчеркнула потребность в синтетическом топливе и, следовательно, в водороде: «Для достижения чистой экономики с нулевыми выбросами CO2 потребуется увеличение в мировом производстве водорода с 60 [мегатонн] в год сегодня до примерно 425-650 мегатонн к середине века.”

Даже если водород не играет большой прямой роли в транспортировке (вероятно, не будет), он все равно будет нужен для синтетического топлива, которое само по себе необходимо для декарбонизации труднодоступных секторов, таких как промышленность. Чтобы сделать возможным электролиз «зеленого водорода», возобновляемая энергия должна стать очень дешевой.

Есть много аналитиков, которые думают, что солнечная энергия для коммунальных предприятий в хороших местах скоро будет производить самую дешевую электроэнергию в мире, по цене до 20 или даже 10 долларов за мегаватт-час.И будут периоды избытка солнечной энергии, которую необходимо поглощать, — энергии, которая в противном случае могла бы быть потрачена впустую.

«Хотя производство более сложных углеводородов является энергетически и, следовательно, экономически дорогостоящим, — говорится в статье Nature , — потенциально может произойти быстрое снижение затрат, если возобновляемые источники энергии, составляющие значительную часть общих затрат, продолжат дешеветь, и если политика будет стимулировать другие сокращения затрат ».

Синтетическое топливо сегодня фактически не существует ни в каком рыночном масштабе («текущие потоки близки к нулю», как говорится в статье Nature ), но если все соберется вместе, чтобы поддержать их, они могут предположительно захватить значительную часть мирового рынка топлива, что немаловажно.Это не CO2, а очень много CO2ρ.

Чтобы было ясно: будущее за электрификацией. Когда дело доходит до декарбонизации, всегда лучше электрифицировать конечное использование энергии — использовать электроэнергию напрямую, а не терять большую часть ее на преобразование — но даже при оптимистичных сценариях будут сектора, которые будут трудными. возить.

Углеродно-нейтральное жидкое топливо для секторов, в которых трудно декарбонизировать, является одновременно крупным рынком и ключевым элементом проблемы декарбонизации.

Производство топлива из солнечного света, объяснил, непонятно. MIT

3. Химические вещества и пластмассы

Используя различные катализаторы, CO2 можно превратить в различные химические промежуточные звенья — материалы, которые затем служат в качестве сырья для других промышленных процессов, таких как метанол, синтез-газ и муравьиная кислота.

CO2 также может быть преобразован катализаторами в полимеры, прекурсоры для пластмасс, адгезивов и фармацевтических препаратов.На данный момент полимеры, производные от CO2, довольно дороги, но пластмассы являются еще одним потенциально важным рынком — они представляют собой растущую долю спроса на жидкое ископаемое топливо. Их продолжительность жизни составляет от десятилетий до столетий, поэтому они обладают некоторым потенциалом для выбросов CO2.

В настоящее время только несколько химических применений CO2 коммерциализируются в промышленных масштабах, включая производство мочевины и поликарбонатных полиолов.

4. Водоросли

Улавливаемый CO2 может использоваться для ускорения роста водорослей, которые способны поглощать гораздо больше, намного быстрее, чем любой другой источник биомассы.А водоросли однозначно полезны. Он может служить сырьем для пищевых продуктов, биотоплива, пластмасс и даже углеродного волокна (см. № 5). Стоит отметить, что около пяти лет назад водоросли считались своего рода чудо-растением, но этот сектор не получил большого успеха, и многие первые компании разорились.

5. Новые материалы

Вот где мы находим более спекулятивные, передовые, но потенциально важные рынки. CO2 можно превратить в высокоэффективные материалы — углеродные композиты, углеродное волокно, графен — которые предположительно могут заменить целый ряд материалов, от металлов до бетона.

Например, команда C2CNT использует «электролиз расплава» для преобразования CO2 непосредственно в углеродные нанотрубки, которые прочнее стали и обладают высокой проводимостью. Они уже используются в высококлассных приложениях, таких как Boeing Dreamliner и некоторые спортивные автомобили. Но по мере того, как они дешевеют, у рынка почти нет потолка.

Возьмем только один пример: подумайте о замене углеродных нанотрубок на медь в электропроводке. (Спасибо Адаму Сигелю за указание на эту идею.Практически любое применение электричества, от космической станции до электромобилей и бытовой техники, выиграет от более легкой проводки, которая лучше проводит.

А также сталь, наиболее часто используемый металл в мире, на который приходится от 7 до 9 процентов глобальных выбросов CO2 от ископаемого топлива. Если углеродные материалы могут быть заменены сталью в любом реальном масштабе, это может означать сокращение выбросов на миллиарды тонн, не говоря уже об эффективном постоянном связывании углерода.

Конечно, такого рода исследования материалов все еще находятся на начальной стадии и потребуют некоторых технологических прорывов, чтобы снизить затраты настолько, чтобы начать массовое вытеснение других материалов. На данный момент углеродные материалы прочно обосновались на рынках бутиков.

Сравнение технологий CCU по стоимости и потенциалу

В статье Nature сравниваются 10 различных путей CCU, включая естественные пути, которые я исключил здесь, и EOR, о которых я рассказывал в своем последнем посте.Итак, приведенная ниже таблица содержит некоторую постороннюю информацию для наших целей. Тем не менее, его стоит изучить внимательно, поскольку он показывает пути по затратам, потенциалу использования CO2 и технологической готовности (TRL). Есть два сценария, отражающие нижнюю и верхнюю границы прогнозов.

Природа

Ноль на вертикальной оси — это сегодняшняя «стоимость безубыточности» (в долларах 2015 г.), точка, в которой технология становится конкурентоспособной с традиционными игроками.Те, кто ниже этой черты, уже конкурентоспособны. Тем, кто находится выше черты, потребуется какая-то соразмерная субсидия, чтобы конкурировать.

Ширина полос указывает количество CO2, которое технология может использовать ежегодно к 2050 году (на основе прогнозов и мнений экспертов). Цвет полоски указывает на ее TRL.

Исходя из оптимистичного сценария высокого уровня, некоторые химические пути (полиол, мочевина и метанол) уже являются конкурентоспособными по стоимости, хотя их потенциал использования CO2 относительно невелик, в совокупности близок к гигатонне.

Бетонные пути (заполнители и отверждение) довольно близки к конкурентоспособным по стоимости, и отверждение, в частности, имеет довольно большой потенциал, особенно если учесть, что его СО2 учитывается дважды, один раз как сокращение выбросов, один раз как постоянное хранение.

К сожалению, промышленные технологические пути CCU с наибольшим потенциалом использования CO2 являются самыми дорогими по сравнению с традиционными.

В совокупности синтетические жидкие топлива (метанол, метан, диметиловый эфир и топливо Фишера-Тропша) могут потреблять более 4 гигатонн CO2 в год к 2050 году.(Для сравнения, глобальные выбросы CO2 в 2018 году составили около 37 гигатонн.) Но в настоящее время им требуется субсидия в размере около 500 долларов на тонну CO2, чтобы конкурировать.

Тем не менее, как говорится в статье Nature , «многие технологии находятся на очень ранних стадиях разработки, и оптимизация затрат с помощью исследований и разработок может существенно изменить эти оценки». Если и есть одна цель для согласованных НИОКР, которая кажется очевидной, то это синтетическое топливо.

Вот та же информация в виде таблицы, если вам это нравится:

Природа

Одна вещь, о которой говорится в таблице, заключается в том, что диапазоны некоторых из этих прогнозов чрезвычайно широки (от 0 до 670 долларов?), Что отражает огромную степень связанной с этим неопределенности.

Как эти технологии CCU будут развиваться, будет зависеть от кривой цен на возобновляемые источники энергии, кривой цен на экологически чистый водород, развития ряда рынков, а также от уровня НИОКР и политической поддержки, которую они получают от законодателей. Все это индивидуально трудно предсказать; выяснение того, как они могут взаимодействовать до 2050 года, — это игра в обоснованные предположения.

CCU может сделать больше, если существует политика поддержки

Выводы статьи Nature отражают среднее значение огромного количества исследований и экспертов, пытающихся определить текущие затраты и то, что произойдет.

Но стоит хотя бы бегло взглянуть на некоторые более оптимистичные оценки того, что может случиться с политикой поддержки.

В 2016 году Глобальная инициатива по выбросам CO2 поручила Lux Research разработать комплексную дорожную карту для CCU. В нем не только прогнозировалось, как технологии CCU могут масштабироваться в обычном режиме, но также и то, как они могут масштабироваться, если следовать политическим рекомендациям в дорожной карте.

Вот как в дорожной карте оценивается потенциал снижения выбросов CO с помощью различных технологий CCU:

GCI

Как видите, следование «стратегическим действиям», рекомендованным в отчете, может радикально расширить потенциал поглощения CO2 как агрегатами, так и синтетическим топливом.По оценкам дорожной карты, по верхней границе «более 10% годовых [глобальных] выбросов CO2 могут быть уловлены этими продуктами».

Вот общий потенциальный доход рынков CCU:

И снова топливо и агрегаты демонстрируют огромный потенциал, который при правильной политике вырастет в десять или двадцать раз. Согласно дорожной карте, к 2030 году общий годовой доход объединенных рынков может составить от 800 до 1,1 трлн долларов США.

Как я уже сказал, все это неубедительные оценки, но тем не менее, если технологии CCU потенциально могут развиться в бизнес с оборотом более 1 триллиона долларов, который сокращает глобальные выбросы на 10 процентов, они кажутся заслуживающими серьезного вложения внимания и ресурсов.Чем больше мы можем использовать, тем меньше мы будем выделять.


Как политикам следует подходить к технологиям CCU? Как правильно их поддержать и, в более широком смысле, как правильно думать о них в контексте более широкой борьбы за климат? Я отвечу на эти вопросы в своем следующем посте.


У нас есть заявка

В такие моменты, когда люди пытаются понять варианты и вакцины, а дети возвращаются в школу, многие торговые точки отключают свой платный доступ.Контент Vox всегда бесплатный, отчасти благодаря финансовой поддержке наших читателей. Мы освещаем пандемию Covid-19 более полутора лет. С самого начала нашей целью было внести ясность в хаос. Чтобы предоставить людям информацию, необходимую для обеспечения безопасности. И мы не останавливаемся.

К нашему удовольствию, вы, наши читатели, помогли нам достичь нашей цели — добавить 2500 финансовых взносов в сентябре всего за 9 дней. Итак, мы ставим новую цель: добавить 4500 взносов к концу месяца.Поддержка читателей помогает обеспечить бесплатное покрытие и является важной частью нашей ресурсоемкой работы. Поможете ли вы нам достичь нашей цели, сделав взнос в Vox всего за 3 доллара?

Из чего сделан корпус?

Человеческое тело содержит около 20 различных элементов, в основном изнутри древних звезд. Если вы разделите 80-килограммового человека на атомы, вы получите следующее количество различных элементов:

Кислород — 52 кг

Этот элемент составляет более половины массы вашего тела, но только четверть его атомов.

Углерод — 14,4 кг

Самый важный структурный элемент и причина того, что мы известны как углеродные формы жизни. Около 12 процентов атомов вашего тела составляют углерод.

Водород — 8 кг

Атомы водорода в вашем теле образовались в результате Большого взрыва. Все остальные были сделаны внутри звезды давным-давно и были выброшены в космос взрывом сверхновой. Так что, хотя вы, возможно, слышали, что все мы звездная пыль, это не совсем так.

Азот — 2.4 кг

Четыре самых распространенных элемента в организме человека — водород, кислород, углерод и азот — составляют более 99 процентов атомов внутри вас. Они встречаются по всему телу, в основном в виде воды, но также в виде компонентов биомолекул, таких как белки, жиры, ДНК и углеводы. 880 г

Магний — ключевой компонент супероксиддисмутазы, одного из важнейших ферментов детоксикации.

Железо — 4,8 г.

Цинк — 2,6 г

Стронций — 0,37 г

Стронций содержится почти исключительно в костях, где он может оказывать благотворное влияние на рост и плотность.

Йод 0.0128 г

Йод является важным компонентом гормона щитовидной железы тироксина. Йод — самый тяжелый элемент, необходимый человеческому организму.

Медь — 0,08 г

Медь входит в состав многих ферментов. Дефицит меди вызывает неврологические нарушения и нарушения со стороны крови.

Марганец — 0,0136 г

Молибден — 0,0104 г

Химики создают первое в мире кольцо из чистого углерода

Трехмерное изображение молекулы углерода-18, полученное с помощью атомно-силового микроскопа.Предоставлено: IBM Research

.

Спустя много времени после того, как большинство химиков бросили попытки, группа исследователей синтезировала первую кольцевую молекулу чистого углерода — круг из 18 атомов.

Химики начали с треугольной молекулы углерода и кислорода, которой они манипулировали электрическими токами, чтобы создать кольцо углерода-18. Первоначальные исследования свойств молекулы, называемой циклоуглеродом, предполагают, что она действует как полупроводник, который может сделать аналогичные прямые углеродные цепи полезными в качестве электронных компонентов молекулярного масштаба.

Это «совершенно потрясающая работа», которая открывает новую область исследований, — говорит Йошито Тобе, химик из Университета Осаки в Японии. «Многие ученые, включая меня, пытались захватить циклоуглероды и определить их молекулярную структуру, но тщетно», — говорит Тобе. Результаты появятся в журнале Science 1 15 августа.

Источник: исх. 1

Чистый углерод бывает нескольких различных форм, включая алмаз, графит и «нанотрубки».Атомы элемента могут образовывать химические связи между собой в различных конфигурациях: например, каждый атом может связываться с четырьмя соседями в форме пирамиды, как в алмазе; или до трех, как в гексагональных узорах, составляющих листы графена толщиной в один атом. (Такой узор из трех связей также встречается в массивном графите, а также в углеродных нанотрубках и в глобулярных молекулах, называемых фуллеренами.)

Но углерод также может образовывать связи только с двумя соседними атомами. Нобелевский лауреат, химик Роальд Хоффманн из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, и другие уже давно предположили, что это приведет к появлению чистых цепочек атомов углерода.Каждый атом может образовывать либо двойную связь с каждой стороны, то есть соседние атомы разделяют два электрона, либо тройную связь с одной стороны и одинарную связь с другой. Различные команды пытались синтезировать кольца или цепочки на основе этого шаблона.

Но поскольку структура этого типа химически более активна, чем графен или алмаз, она менее стабильна, особенно при изгибе, говорит химик Пшемыслав Гавел из Оксфордского университета, Великобритания. Синтез стабильных цепей и колец обычно требует включения других элементов, кроме углерода.Некоторые эксперименты намекают на создание полностью углеродных колец в газовом облаке, но они не смогли найти убедительных доказательств.

Одно кольцо

Гавел и его сотрудники создали и визуализировали долгожданную кольцевую молекулу углерода-18. Используя стандартную «влажную» химию, его сотрудник Лорел Скривен, химик из Оксфорда, первым синтезировал молекулы, которые включали четырехуглеродные квадраты, отходящие от кольца, с атомами кислорода, прикрепленными к квадратам. Затем группа отправила свои образцы в лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, где сотрудники поместили молекулы кислород-углерод на слой хлорида натрия внутри камеры высокого вакуума.Они управляли кольцами одно за другим с помощью электрического тока (используя атомно-силовой микроскоп, который также может действовать как сканирующий туннельный микроскоп), чтобы удалить посторонние кислородсодержащие части. После долгих проб и ошибок сканирование микрофотографии показало структуру из 18 атомов углерода. «Никогда не думал, что увижу это», — говорит Скривен.

Исследователи IBM показали, что 18-углеродные кольца имеют чередующиеся тройные и одинарные связи. Теоретические результаты разошлись во мнениях относительно того, будет ли углерод-18 иметь такую ​​структуру или структуру, полностью состоящую из двойных связей.

Чередующиеся типы связей интересны тем, что предполагается, что они придают углеродным цепям и кольцам свойства полупроводников. Результаты показывают, что длинные прямые углеродные цепочки тоже могут быть полупроводниками, говорит Гавел, что может сделать их полезными в качестве компонентов будущих транзисторов молекулярного размера.

На данный момент исследователи собираются изучить основные свойства углерода-18, который они смогли создать только по одной молекуле за раз. Они также будут продолжать пробовать альтернативные методы, которые могут дать большие объемы.«Это пока очень фундаментальное исследование», — говорит Гавел.

«Работа прекрасна», — говорит Хоффманн, хотя добавляет, что еще неизвестно, будет ли углерод-18 стабильным при отрыве от поверхности соли, и можно ли его синтезировать более эффективно, чем по одной молекуле за раз.

.

Вам может понравится

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.