Kulfiberegenskaber

Kulfiberegenskaber

Kulfiberens ry som materiale har fået mystiske proportioner! Ikke alene har det ry for at være det bedste og stærkeste, men det er også blevet cool at have noget lavet af kulfiber!

Jeg påstår ikke, at jeg er ekspert. Denne artikel kombinerer oplysninger, som jeg har fundet i min forskning om kulfiber, jeg er ikke en primær kilde. Jeg forsøger at være nøjagtig, men jeg laver fejl, jeg ved, at dette måske kommer som en overraskelse for nogle af jer, men det er der. Hvis du har planer om at bygge en mast eller andre bådlige ting, skal du lave din forskning. Rådfør dig med en ekspert, og vær forsigtig. Hav det sjovt.

Først, hvad er kulfiber

Kulfiber er, ikke overraskende, lavet af kulstofkrystaller, der er justeret i en lang akse. Disse honeycomb-formede krystaller organiserer sig i lange fladtrykte bånd. Denne krystaljustering gør båndet stærkt i den lange akse. Til gengæld er disse bånd rettet ind i fibrene. Fiberformen er den oprindelige form af det materiale (dets forløber), der blev brugt til at fremstille kulfiberet. Jeg kender ikke til nogen proces, hvor fibrene formes EFTER karbonisering. Disse fibre (der indeholder flade bånd af kulstofkrystaller) bliver til gengæld af producenten bundtet i tykkere fibre og vævet til kulstofdug, lavet til filt, snoet eller bundtet uden at blive snoet. Dette kaldes Roving. Kulfiber tilbydes også som hakkede tråde og pulver.

For at ændre oplægningens egenskaber tilsættes der undertiden andre materialer såsom glasfibre, Kevlar eller aluminium. Kulfiber anvendes sjældent, da det. Det er snarere indlejret i en matrix. Ved mastebygning og bådbygning tænker vi normalt på epoxy- eller polyesterharpikser, men kulfiber anvendes også som forstærkning til termoplast, beton eller keramik.

Fremstilling af kulfiber

Der findes flere metoder til fremstilling af kulfiber, men i det væsentlige begynder de alle med fremstilling af fibre ud fra et kulstofrigt forstadsmateriale. Den oprindelige størrelse og form af fiberen vil forblive i den færdige kulfiber, men den indre kemiske struktur vil være blevet stærkt modificeret gennem de forskellige opvarmningscyklusser. De første trin er karbonisering og strækning af forløbsfibre, enten PAN: Polyacrylonitril, Pitch eller Rayon. Der er flere opvarmningscyklusser ved varierende temperaturer uden ilt. Denne proces fjerner de fleste af de andre grundstoffer (hovedsageligt hydrogen og nitrogen) fra udgangsmaterialet og efterlader kulstof. Det giver også kulstoffet mulighed for gradvist at krystallisere sig i sin karakteristiske honningkagemønsterform. Hvis du ikke har set den endnu, så gå ind på min side om kulstofforskning og se videoen om kulfiberstruktur. den er fabelagtig.

Denne Youtube-video viser, hvordan kulfiber fremstilles, og den er et kig værd.

De vigtigste faktorer, der bestemmer kulfiberens fysiske egenskaber, er graden af karbonisering (kulstofindhold, normalt mere end 92 vægtprocent) og orienteringen af de lagdelte kulstofplaner (båndene). Fibre fremstilles kommercielt med en bred vifte af variationer i krystallinsk og amorf indhold for at ændre eller favorisere de forskellige egenskaber.

Afhængigt af udgangsmaterialet og karboniseringsprocessen modificeres kulfiber til at passe til slutformålet. PAN eller polyacrylonitril er det mest almindelige udgangsstof til plastkompositter.

De vigtigste variationer i egenskaberne er styrke vs. stivhed. Ved at anvende forskellige opvarmningscyklusser kan begge dele fremhæves. Der forskes i at ændre andre egenskaber som f.eks. varme- og elektrisk ledningsevne.

Det er ikke kun den interne struktur af fibrene, der er vigtig, men også hvordan de er opstillet i de færdige produkter har en enorm indflydelse på egenskaberne ved det emne, der fremstilles. Korrekt justering af kulfiberne er afgørende for at maksimere deres fordele.

Kulfiberegenskaber, hvad er der ikke at elske!!!

1. Højt styrke/vægt-forhold
2. Stivhed
3. Korrosionsbestandighed
4. Elektrisk ledningsevne
5. Tærskelmodstand
6. God trækstyrke, men Skør
7. Brandmodstand/ikke brandfarlig
8. Høj varmeledningsevne i visse former
9. Lav varmeudvidelseskoefficient
10. Ugiftig
11. Biologisk inert
12. X-Strålepermeabel
13. Relativt dyrt
14. Kræver specialiseret erfaring og udstyr til brug.

Jeg har ikke skrevet i detaljer, men kulfiber er selvsmørende, det har også fremragende EMI (elektromagnetisk interferens) afskærmningsegenskab

1- Kulfiber har høj styrke i forhold til vægtforholdet (også kendt som specifik styrke)

Styrke af et materiale er kraften pr. arealenhed ved svigt, divideret med dens tæthed. Ethvert materiale, der er stærkt OG let, har et gunstigt styrke/vægt-forhold. Materialer som f.eks. aluminium, titan, magnesium, kulstof- og glasfibre og stållegeringer med høj styrke har alle et godt styrke/vægt-forhold. Det er ikke overraskende, at balsatræ har et højt styrke/vægt-forhold.

De følgende tal tilbydes kun til sammenligning og vil variere afhængigt af sammensætning, legering, spindeltype, træets tæthed osv. Enhederne er kN.m/kg.

Spektralfiber	3619
Kevlar	2514
Kulfiber	2457
Karbonfiber	2457
Glasfiber	1307
Spider Silk	1069
Kulstof-Epoxy Komposit	785
Balsa aksial belastning	521
Stållegering	254
Aluminiumslegering	222
polypropylen	89
Egetræ	87
Nylon	6969

Bemærk, at styrke og stivhed er forskellige egenskaber, styrke er modstand mod brud, stivhed er modstand mod bøjning eller strækning.

På grund af den måde, hvorpå krystallerne i kulfiber orienterer sig i lange flade bånd eller smalle ark af honeycomb-krystaller, er styrken højere, når de løber i længderetningen end på tværs af fiberen. Det er derfor, at designere af kulfibergenstande angiver, i hvilken retning fiberen skal lægges for at maksimere styrke og stivhed i en bestemt retning. Fibrene bliver rettet ud i den retning, hvor spændingen er størst.

Panbaseret precursor kulfiber har højere styrke end pitchbaseret kulfiber, som har højere stivhed.

2- Kulfiber er meget stiv

Stivhed eller stivhed af et materiale måles ved dets Young Modulus og måler, hvor meget et materiale bøjer under spænding. Kulfiberforstærket plast er over 4 gange stivere end glasforstærket plast, næsten 20 gange mere end fyrretræ og 2,5 gange større end aluminium. For flere oplysninger om stivhed og hvordan den måles, samt en sammenligningstabel over forskellige materialer, se min Young Modulus-side.

Husk stress er kraft, belastning er afbøjning som f.eks. bøjning eller strækning

3- Kulfiber er korrosionsbestandigt og kemisk stabilt.

Selv om kulfibre i sig selv ikke forringes målbart, er epoxy følsomt over for sollys og skal beskyttes. Andre matricer (uanset hvad kulfiberen er indlejret i) kan også være reaktive.

Kulfiber kan påvirkes af stærke oxyderende stoffer

Kompositter fremstillet af kulfiber skal enten fremstilles med UV-resistent epoxy (ualmindeligt) eller dækkes med en UV-resistent finish som f.eks. lakker.

4- Kulfiber er elektrisk ledende

Denne egenskab kan enten være nyttig eller være en gene. I bådbyggeri skal der tages hensyn til ledningsevne, ligesom aluminiums ledningsevne kommer i spil. Kulfiberens ledningsevne kan lette galvanisk korrosion i fittings. En omhyggelig installation kan reducere dette problem.

Kulfiberstøv kan ophobes i et værksted og forårsage gnister eller kortslutninger i elektriske apparater og udstyr.

Der foregår i øjeblikket en hel del F&D på at bruge kulfiberens elektriske ledningsevne til at producere varme, enten til hurtigere hærdning af kompositmaterialer eller til selve opvarmningsmulighederne. Dette kan måske anvendes i vintertøj eller tøj, der er beregnet til barske miljøer.

Her er et forskningsdokument om ledende tekstiler og deres anvendelse i forbindelse med sårdetektering i kamp. PDF-fil

5- Træthedsmodstand er god

Træthedsmodstand i kulfiberkompositter er god. Men når kulfiber svigter, svigter det normalt katastrofalt uden væsentlige ydre tegn til at annoncere det forestående svigt.

Skader ved trækudmattelse ses som reduktion i stivhed med større antal belastningscyklusser, (medmindre temperaturen er høj)

Test har vist, at svigt sandsynligvis ikke er et problem, når de cykliske belastninger falder sammen med fiberorienteringen. Kulfiber er overlegen i forhold til E-glas i træthed og statisk styrke samt stivhed.

Fibrenes orientering OG de forskellige fiberlags orientering, har stor indflydelse på hvordan en komposit vil modstå træthed (ligesom det har på stivhed). Den type kræfter, der påføres, resulterer også i forskellige typer af svigt. Spændings-, kompressions- eller forskydningskræfter resulterer alle i markant forskellige svigtresultater.

Papir fra Oak Ridge National Laboratory om test af kulfiberkompositter beregnet til brug i biler. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test af materialer til brug i vindmøllevinger.

6- Kulfiber har god trækstyrke

Trækstyrke eller ultimativ styrke er den maksimale belastning, som et materiale kan modstå, mens det strækkes eller trækkes, før det knækker eller svigter. Indsnævring er, når prøvens tværsnit begynder at trække sig betydeligt sammen. Hvis du tager en strimmel af en plastikpose, vil den strække sig og på et tidspunkt begynde at blive smal. Dette er indsnævring. Trækstyrke måles i kraft pr. arealenhed. Skøre materialer som f.eks. kulfiber svigter ikke altid ved samme spændingsniveau på grund af interne fejl. De svigter ved små belastninger. (med andre ord er der ikke meget bøjning eller strækning før katastrofalt svigt) Weibull-modulet for skøre materialer

Testning indebærer, at man tager en prøve med et fast tværsnitsareal og trækker den gradvist og øger kraften, indtil prøven ændrer form eller går i stykker. Fibre, som f.eks. kulfibre, der kun er 2/10.000 af en tomme i diameter, fremstilles til kompositter af passende former for at kunne afprøves.

Enhederne er MPa Denne tabel tilbydes kun som en sammenligning, da der er et stort antal variabler.

Kulstofstål 1090	650
Polyethylen med høj densitet (HDPE)		37
Polypropylen	19.7-80
Polyethylen med høj densitet	37
Rustfrit stål AISI 302	860
Aluminiumslegering 2014-T6	483
Aluminiumslegering 6063-T6	248
E-Glas alene	3450
E-Glas i et laminat	1500
Kulfiber alene	4127
	Kulfiber i et laminat	1600
Kevlar	2757
Fyretræ (parallelt med årerne)	40

NOTAT: Ved prøvning af kulfiber og andre fibre og ikke-homogene materialer skal der udtages prøver, som er ensartede og sammenlignelige. Dette er ikke en enkel procedure. Hvis du læser forskning, hvor styrke/stivhed sammenlignes, vil forskerne altid forklare, hvordan deres prøver blev fremstillet, herunder typen af matrix, justering af fibre, forholdet mellem fibre og matrikel blandt andre faktorer. Denne vanskelighed forklarer, hvorfor målinger kan variere ret meget mellem forskningsresultater.

7- Brandmodstand/ikke brændbart

Her er en artikel om genanvendelse af kulfiber ved at brænde matricen af.

Kulfiber er klassificeret som ubrændbart og har ikke noget angivet flammepunkt. Hvis det udsættes for høj varme i nærvær af brændsel, der brænder, kan det til sidst oxidere, men så snart flammen og brændslet er fjernet, fortsætter flammen ikke.

Da kulfiber næsten altid anvendes i en matrix som epoxy, plastik eller beton, er matrixens tolerance over for høj temperatur den mere betydningsfulde faktor.

Afhængigt af fremstillingsprocessen og forstadsmaterialet kan kulfiber gøres ret blødt i hånden og kan fremstilles til eller oftere integreres i beskyttelsesbeklædning til brandbekæmpelse. Nikkelbelagte fibre er et eksempel herpå. Da kulfiber også er kemisk meget inert, kan det bruges, hvor der er brand kombineret med ætsende stoffer.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″ Disse filt kulfiberfiltetæpper bruges også til at beskytte substrater, når man laver lodning af loddearbejde.

8- Varmeledningsevne for kulfiber

Se min artikel om Varmeledningsevne for kulstofbaserede materialer, herunder kulfiber, nanorør og grafen.

Varmeledningsevne er den mængde varme, der overføres gennem en enhedstykkelse, i en retning vinkelret på en overflade med et enhedsareal, på grund af en enheds temperaturgradient, under stationære forhold. Det er med andre ord et mål for, hvor let varme strømmer gennem et materiale.

Der findes en række målesystemer afhængigt af metriske eller britiske enheder.

1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)

Denne tabel er kun til sammenligning. Enhederne er W/(m.K)

Luft	.024
Aluminium	250
Beton	.4 – .7
Kulstofstål	54
Mineraluldsisolering	.04
Plywood	.13
Kvarts	3
Pyrexglas	1
Pine	.12
Kulfiberforstærket epoxy	24

Da der er mange variationer på temaet kulfiber, er det ikke muligt at fastlægge den nøjagtige varmeledningsevne. Særlige typer kulfiber er blevet udviklet specielt til høj eller lav varmeledningsevne. Der er også bestræbelser på at forbedre denne egenskab.

The Materials Information Society har en side om “grafit” AKA Carbon Fiber

9- Lav termisk udvidelseskoefficient

Dette er et mål for, hvor meget et materiale udvider sig og trækker sig sammen, når temperaturen stiger eller falder.

Enhederne er i tommer / tommer grad F, som i andre tabeller, er enhederne ikke så vigtige som sammenligningen.

Stål	7
Aluminium	13
Kevlar	3 eller lavere
	Kulfiber vævet	2 eller derunder
Kulfiber unidirektionel	minus 1 til +8
Glasfiber	7-8
Brass	11

Kulfiber kan have et bredt spektrum af CTE’er, -1 til 8+, afhængigt af den målte retning, stofvævningen og forgangsmaterialet, Pan-baseret (høj styrke, højere CTE) eller Pitch-baseret (høj modulus/stivhed, lavere CTE).

I en høj nok mast kan forskelle i varmeudvidelseskoefficienter for forskellige materialer ændre rigspændingerne en smule.

Lav varmeudvidelseskoefficient gør kulfiber velegnet til anvendelser, hvor små bevægelser kan være kritiske. Teleskop og andre optiske maskiner er en sådan anvendelse.

10-11-12 Ikke giftig, biologisk inert, røntgenpermeabel

Disse kvaliteter gør kulfiber anvendelig i medicinske anvendelser. Proteser, implantater og reparation af sener, kirurgiske instrumenter med røntgentilbehør er alle under udvikling.

Og selv om kulfibre ikke er giftige, kan de være ret irriterende, og langvarig ubeskyttet eksponering skal begrænses. Matrixen, enten epoxy eller polyester, kan imidlertid være giftig, og der skal udvises passende forsigtighed.

13- Kulfiber er relativt dyrt

Selv om det giver ekstraordinære fordele i form af styrke, stivhed og vægtreduktion, er prisen en afskrækkende faktor. Medmindre vægtfordelen er usædvanlig vigtig, som f.eks. i luftfartsapplikationer eller racerløb, er det ofte ikke de ekstra omkostninger værd. Det lave vedligeholdelseskrav for kulfiber er en yderligere fordel.

Det er vanskeligt at kvantificere cool og moderigtigt. Kulfiber har en aura og et ry, som gør forbrugerne villige til at betale mere for den cachet det giver.

Du har måske brug for mindre af det sammenlignet med glasfiber, og det kan være en besparelse.

Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll

Noahs leverer kulfiber og glasdug til amatørbådsbyggere, vandre i deres online katalog og sammenlign priserne. (Canadisk butik)

14- Carbonfibre er skøre

Lagene i fibrene er dannet af stærke kovalente bindinger. De arklignende aggregationer tillader let udbredelse af revner. Når fibrene bøjer sig, svigter de ved meget lav belastning. Med andre ord bøjer kulfiber ikke meget, før de svigter.

Effekt af varierende kulfiber- og matrixforhold

15- Kulfiber er endnu ikke gearet til amatørteknikker.

For at maksimere kulfiberegenskaberne skal der opnås et relativt højt teknisk niveau. Uperfektioner og luftbobler kan påvirke ydeevnen betydeligt. Typisk er autoklaver eller vakuumudstyr påkrævet. Forme og dorne er også store udgifter.

Succesen af enhver amatør kulfiberkonstruktion vil være tæt forbundet med den dygtighed og omhu, der udvises.

Her er et link til en YouTube-video fra Easy Composite Ltd. om forskellige teknikker ved hjælp af kulfiber. De har en række instruktionsvideoer.

Denne artikel er et igangværende arbejde. Jeg vil fortsætte med at tilføje oplysninger og forfine teksten, efterhånden som jeg udforsker emnet. De oplysninger, jeg har præsenteret, kommer fra en række forskellige kilder. Jeg har forsøgt at verificere dem, når jeg har kunnet. Jeg forsøger at bruge “pålidelige kilder” som f.eks. producentdata, forskningsartikler eller universitetsartikler. Jeg er også afhængig af Wikipedia for at få et overblik.
God artikel fra University of Tennessee om kulfiberproduktion.
Christine.

Skriv til mig, hvis du finder fejl, så retter jeg dem, og vi vil alle få gavn af det: Christine