Carbonfasereigenschaften
Der Ruf von Carbonfasern als Material hat mystische Ausmaße angenommen! Es hat nicht nur den Ruf, das beste und stärkste Material zu sein, sondern es ist auch cool geworden, etwas aus Kohlefaser zu haben!
Ich behaupte nicht, ein Experte zu sein. Dieser Artikel fasst Informationen zusammen, die ich bei meinen Recherchen über Kohlefaser gefunden habe, ich bin keine Primärquelle. Ich versuche, genau zu sein, aber ich mache Fehler, ich weiß, dass dies für einige von Ihnen überraschend sein könnte, aber so ist es. Wenn Sie vorhaben, einen Mast oder andere Bootssachen zu bauen, recherchieren Sie. Konsultieren Sie einen Experten, und seien Sie vorsichtig. Viel Spaß.
Erstens, was ist Kohlefaser
Kohlefaser besteht, wenig überraschend, aus Kohlenstoffkristallen, die in einer langen Achse ausgerichtet sind. Diese bienenwabenförmigen Kristalle sind in langen, abgeflachten Bändern angeordnet. Diese Ausrichtung der Kristalle macht die Bänder in der Längsachse stark. Diese Bänder wiederum ordnen sich in Fasern an. Die Faserform ist die ursprüngliche Form des Materials (seines Vorläufers), das zur Herstellung der Kohlenstofffaser verwendet wurde. Mir ist kein Verfahren bekannt, bei dem die Fasern NACH der Karbonisierung geformt werden. Diese Fasern (die flache Bänder aus Kohlenstoffkristallen enthalten) werden wiederum vom Hersteller zu dickeren Fasern gebündelt und zu Kohlenstoffgewebe gewebt, zu Filz verarbeitet, verdreht oder ohne Verdrehung gebündelt. Dies wird als Roving bezeichnet. Carbonfasern werden auch als geschnittene Stränge und als Pulver angeboten.
Um die Eigenschaften des Geleges zu verändern, werden manchmal andere Materialien wie Glasfasern, Kevlar oder Aluminium hinzugefügt. Kohlefaser wird selten als solche verwendet. Vielmehr wird sie in eine Matrix eingebettet. Im Mast- und Bootsbau denkt man in der Regel an Epoxid- oder Polyesterharze, aber Kohlenstofffasern werden auch als Verstärkung für Thermoplaste, Beton oder Keramik verwendet.
Herstellung von Kohlenstofffasern
Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Kohlenstofffasern, aber im Wesentlichen beginnen sie alle mit der Herstellung von Fasern aus einem kohlenstoffreichen Vorläufermaterial. Die ursprüngliche Größe und Form der Faser bleibt bei der fertigen Kohlenstofffaser erhalten, aber die innere chemische Struktur wird durch die verschiedenen Erhitzungszyklen stark verändert. Die ersten Schritte sind das Karbonisieren und Recken der Vorläuferfasern, entweder PAN: Polyacrylnitril, Pech oder Rayon. Es folgen mehrere Erhitzungszyklen bei unterschiedlichen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff. Durch diesen Prozess werden die meisten anderen Elemente (vor allem Wasserstoff und Stickstoff) aus dem Ausgangsmaterial entfernt, wobei der Kohlenstoff zurückbleibt. Dabei kristallisiert der Kohlenstoff allmählich in seiner charakteristischen wabenförmigen Form. Wenn Sie es noch nicht gesehen haben, gehen Sie auf meine Seite zur Kohlenstoffforschung und sehen Sie sich das Video über die Struktur von Kohlenstofffasern an. Es ist fabelhaft.
Dieses Youtube-Video zeigt die Herstellung von Kohlenstofffasern und ist einen Blick wert.
Die wichtigsten Faktoren, die die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern bestimmen, sind der Verkohlungsgrad (Kohlenstoffgehalt, in der Regel mehr als 92 Gew.-%) und die Ausrichtung der geschichteten Kohlenstoffebenen (die Bänder). Im Handel werden Fasern mit einem breiten Spektrum an kristallinen und amorphen Gehalten hergestellt, um die verschiedenen Eigenschaften zu modifizieren oder zu begünstigen.
Abhängig vom Ausgangsmaterial und dem Karbonisierungsprozess wird die Kohlenstofffaser so modifiziert, dass sie dem Endzweck entspricht. PAN oder Polyacrylnitril ist das gebräuchlichste Ausgangsmaterial für Kunststoffverbundwerkstoffe.
Die Hauptunterschiede bei den Eigenschaften sind Festigkeit und Steifigkeit. Durch unterschiedliche Erhitzungszyklen können beide hervorgehoben werden.
Nicht nur die innere Struktur der Fasern ist wichtig, sondern auch die Art und Weise, wie sie im Endprodukt angeordnet sind, hat einen enormen Einfluss auf die Eigenschaften des herzustellenden Artikels. Die richtige Ausrichtung der Kohlenstofffasern ist entscheidend, um ihre Vorteile zu maximieren.
Eigenschaften von Kohlenstofffasern, was gibt es da nicht zu lieben!
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Steifigkeit
- Korrosionsbeständigkeit
- Elektrische Leitfähigkeit
- Ermüdungsbeständigkeit
- Gute Zugfestigkeit aber Sprödigkeit
- Feuerbeständigkeit/Nicht brennbar
- Hohe Wärmeleitfähigkeit in einigen Formen
- Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
- Nicht giftig
- Biologisch inert
- X-Strahlendurchlässig
- Relativ teuer
- Erfordert spezielle Erfahrung und Ausrüstung für die Anwendung.
Ich habe nicht im Detail geschrieben, aber Kohlefaser ist selbstschmierend und hat auch eine ausgezeichnete EMI (elektromagnetische Interferenz) Abschirmungseigenschaft
1- Kohlefaser hat ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis (auch bekannt als spezifische Festigkeit)
Die Festigkeit eines Materials ist die Kraft pro Flächeneinheit beim Bruch, geteilt durch seine Dichte. Jedes Material, das fest UND leicht ist, hat ein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Materialien wie Aluminium, Titan, Magnesium, Kohlenstoff- und Glasfasern sowie hochfeste Stahllegierungen haben alle ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht. Es ist nicht überraschend, dass Balsaholz ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist.
Die folgenden Zahlen dienen nur zum Vergleich und variieren je nach Zusammensetzung, Legierung, Art der Spinne, Dichte des Holzes usw. Die Einheiten sind kN.m/kg.
| Spektralfaser | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Kohlenstofffaser | 2457 |
| Glasfaser | 1307 |
| Spinnenseide | 1069 |
| Kohlenstoff-Epoxid-Verbundstoff | 785 |
| Balsa axiale Belastung | 521 |
| Stahllegierung | 254 |
| Aluminiumlegierung | 222 |
| Polypropylen | 89 |
| Eiche | 87 |
| Nylon | 69 |
Beachte, dass Festigkeit und Steifigkeit unterschiedliche Eigenschaften sind, Festigkeit ist der Widerstand gegen Bruch, Steifigkeit ist der Widerstand gegen Biegen oder Dehnen.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Kristalle von Kohlenstofffasern in langen flachen Bändern oder schmalen Platten aus Wabenkristallen orientieren, ist die Festigkeit in Längsrichtung höher als in Querrichtung der Faser. Deshalb geben die Konstrukteure von Gegenständen aus Kohlenstofffasern an, in welcher Richtung die Fasern verlegt werden sollen, um die Festigkeit und Steifigkeit in einer bestimmten Richtung zu maximieren.
Kohlenstofffasern auf der Basis von Pech haben eine höhere Festigkeit als Kohlenstofffasern auf der Basis von Pech, die eine höhere Steifigkeit aufweisen.
2- Kohlenstofffasern sind sehr steif
Die Steifigkeit eines Materials wird durch seinen Elastizitätsmodul gemessen, der angibt, wie stark sich ein Material unter Belastung biegt. Kohlefaserverstärkter Kunststoff ist mehr als 4-mal steifer als glasfaserverstärkter Kunststoff, fast 20-mal steifer als Kiefer und 2,5-mal steifer als Aluminium. Weitere Informationen über die Steifigkeit und ihre Messung sowie eine Vergleichstabelle verschiedener Materialien finden Sie auf meiner Seite über den Elastizitätsmodul.
Die Spannung ist die Kraft, die Dehnung ist die Durchbiegung, z. B. Biegung oder Streckung
3- Kohlenstofffasern sind korrosionsbeständig und chemisch stabil.
Obwohl die Kohlenstofffasern selbst nicht messbar beschädigt werden, ist Epoxidharz empfindlich gegenüber Sonnenlicht und muss geschützt werden. Andere Matrizen (in die die Kohlenstofffasern eingebettet sind) können ebenfalls reaktiv sein.
Kohlenstofffasern können durch starke Oxidationsmittel angegriffen werden
Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern müssen entweder mit UV-beständigem Epoxidharz hergestellt werden (selten) oder mit einer UV-beständigen Beschichtung wie Lacken versehen werden.
4- Kohlenstofffasern sind elektrisch leitfähig
Diese Eigenschaft kann entweder nützlich oder lästig sein. Im Bootsbau muss die Leitfähigkeit genauso berücksichtigt werden wie die Leitfähigkeit von Aluminium. Die Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern kann die galvanische Korrosion in Beschlägen begünstigen. Eine sorgfältige Installation kann dieses Problem verringern.
Kohlenstofffaserstaub kann sich in einer Werkstatt ansammeln und Funken oder Kurzschlüsse in elektrischen Geräten und Ausrüstungen verursachen.
Es gibt derzeit eine ganze Reihe von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Nutzung der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern, um Wärme zu erzeugen, entweder zur schnelleren Aushärtung von Verbundwerkstoffen oder für die Heizfähigkeit selbst. Dies könnte bei Winterkleidung oder Kleidung für raue Umgebungen Anwendung finden.
Hier ist ein Forschungspapier über leitfähige Textilien und ihre Verwendung bei der Erkennung von Kampfwunden. PDF-Datei
5- Ermüdungsbeständigkeit ist gut
Die Ermüdungsbeständigkeit von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen ist gut. Wenn Kohlenstofffasern versagen, geschieht dies jedoch in der Regel auf katastrophale Weise, ohne dass signifikante äußere Anzeichen das bevorstehende Versagen ankündigen.
Schäden bei Zugermüdung zeigen sich als Verringerung der Steifigkeit bei einer größeren Anzahl von Belastungszyklen (es sei denn, die Temperatur ist hoch)
Tests haben gezeigt, dass ein Versagen unwahrscheinlich ist, wenn die zyklischen Belastungen mit der Faserorientierung übereinstimmen. Kohlefasern sind E-Glas in Bezug auf Ermüdung und statische Festigkeit sowie Steifigkeit überlegen.
Die Ausrichtung der Fasern UND die unterschiedliche Ausrichtung der Faserlagen haben einen großen Einfluss darauf, wie ein Verbundwerkstoff der Ermüdung widersteht (ebenso wie auf die Steifigkeit). Auch die Art der angewendeten Kräfte führt zu unterschiedlichen Versagensarten. Zug-, Druck- oder Scherkräfte führen alle zu deutlich unterschiedlichen Versagensergebnissen.
Paper by Oak Ridge National Laboratory, on test of carbon fiber composites intended for automotive use. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Test für Materialien, die in Windturbinenflügeln verwendet werden sollen.
6- Carbon Fiber has good Tensile Strength
Die Zugfestigkeit oder Endfestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, wenn es gedehnt oder gezogen wird, bevor es einknickt oder versagt. Einschnürung bedeutet, dass sich der Querschnitt der Probe deutlich zusammenzieht. Nimmt man einen Streifen einer Plastiktüte, so dehnt er sich und wird an einem bestimmten Punkt schmaler. Dies ist eine Einschnürung. Die Zugfestigkeit wird in Kraft pro Flächeneinheit gemessen. Spröde Materialien wie Kohlenstofffasern versagen nicht immer auf demselben Spannungsniveau, da sie innere Fehler aufweisen. Sie versagen bei kleinen Dehnungen. (mit anderen Worten, es gibt nicht viel Biegung oder Dehnung, bevor es zu einem katastrophalen Versagen kommt) Weibull-Modul von spröden Materialien
Beim Testen wird eine Probe mit einer festen Querschnittsfläche entnommen und dann unter allmählicher Erhöhung der Kraft gezogen, bis die Probe ihre Form ändert oder bricht. Fasern, wie z.B. Kohlenstofffasern, die nur einen Durchmesser von 2/10.000stel Zoll haben, werden zu Verbundwerkstoffen mit geeigneter Form verarbeitet, um sie zu testen.
Die Einheiten sind MPa. Diese Tabelle dient nur als Vergleich, da es eine große Anzahl von Variablen gibt.
| Kohlenstoffstahl 1090 | 650 |
| Polyethylen hoher Dichte (HDPE) | 37 |
| Polypropylen | 19.7-80 |
| Polyethylen hoher Dichte | 37 |
| Edelstahl AISI 302 | 860 |
| Aluminiumlegierung 2014-.T6 | 483 |
| Aluminiumlegierung 6063-T6 | 248 |
| E-Glas allein | 3450 |
| E-Glas in einem Laminat | 1500 |
| Kohlefaser allein | 4127 |
| Kohlefaser in einem Laminat | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Kiefernholz (parallel zur Maserung) | 40 |
Hinweis: Bei der Prüfung von Kohlenstofffasern und anderen Fasern und nicht homogenen Materialien müssen Proben hergestellt werden, die konsistent und vergleichbar sind. Dies ist kein einfaches Verfahren. Wenn Sie Forschungsarbeiten lesen, in denen die Festigkeit/Steifigkeit verglichen wird, erklären die Forscher immer, wie ihre Proben hergestellt wurden, einschließlich der Art der Matrix, der Ausrichtung der Fasern, des Verhältnisses von Fasern zu Matrix und anderer Faktoren. Diese Schwierigkeit erklärt, warum die Messungen zwischen den Forschungsergebnissen sehr unterschiedlich ausfallen können.
7- Feuerbeständigkeit/Nicht brennbar
Hier ist ein Artikel über das Recycling von Kohlenstofffasern durch Abbrennen der Matrix.
Kohlenstofffasern sind als nicht brennbar eingestuft und haben keinen Flammpunkt angegeben. Wenn sie in Gegenwart von brennendem Brennstoff großer Hitze ausgesetzt wird, kann sie schließlich oxidieren, aber sobald die Flamme und der Brennstoff entfernt sind, brennt sie nicht weiter.
Da Kohlenstofffasern fast immer in einer Matrix wie Epoxid, Kunststoff oder Beton verwendet werden, ist die Toleranz der Matrix gegenüber hohen Temperaturen der wichtigere Faktor.
Abhängig vom Herstellungsverfahren und dem Vorläufermaterial können Kohlenstofffasern so beschaffen sein, dass sie sich in der Hand recht weich anfühlen, und sie können zu Schutzkleidung für die Brandbekämpfung verarbeitet oder in diese integriert werden. Ein Beispiel ist die mit Nickel beschichtete Faser. Da Kohlefaser auch chemisch sehr inert ist, kann sie dort eingesetzt werden, wo Feuer mit ätzenden Stoffen kombiniert wird.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern
Siehe meinen Artikel über die Wärmeleitfähigkeit von Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich Kohlenstofffasern, Nanoröhren und Graphen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmemenge, die durch eine Einheitsdicke in einer Richtung senkrecht zu einer Oberfläche mit Einheitsfläche aufgrund eines Einheits-Temperaturgradienten unter konstanten Bedingungen übertragen wird. Mit anderen Worten, sie ist ein Maß dafür, wie leicht Wärme durch ein Material fließt.
Es gibt eine Reihe von Maßsystemen, je nach metrischen oder imperialen Einheiten.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(Std.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Diese Tabelle dient nur zum Vergleich. Die Einheiten sind W/(m.K)
| Luft | .024 |
| Aluminium | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Kohlenstoffstahl | 54 |
| Mineralwollisolierung | .04 |
| Sperrholz | .13 |
| Quarz | 3 |
| Pyrex Glas | 1 |
| Kiefer | .12 |
| Kohlenstofffaserverstärktes Epoxid | 24 |
Da es viele Variationen zum Thema Kohlenstofffaser gibt, ist es nicht möglich, die Wärmeleitfähigkeit genau zu bestimmen. Spezielle Arten von Kohlenstofffasern wurden speziell für eine hohe oder niedrige Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Es gibt auch Bestrebungen, diese Eigenschaft zu verbessern.
Die Materials Information Society hat eine Seite über „Graphit“ AKA Carbon Fiber
9- Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
Dies ist ein Maß dafür, wie sehr sich ein Material ausdehnt und zusammenzieht, wenn die Temperatur steigt oder sinkt.
Einheiten sind in Zoll / Zoll Grad F, wie in anderen Tabellen, die Einheiten sind nicht so wichtig wie der Vergleich.
| Stahl | 7 |
| Aluminium | 13 |
| Kevlar | 3 oder niedriger |
| Carbonfaser gewebt | 2 oder weniger |
| Carbonfaser unidirektional | minus 1 bis +8 |
| Glasfaser | 7-8 |
| Messing | 11 |
Kohlenstofffasern können eine große Bandbreite an WAKs aufweisen, -1 bis 8+, abhängig von der gemessenen Richtung, der Gewebebindung, dem Vorläufermaterial, auf Pan-Basis (hohe Festigkeit, höherer WAK) oder auf Pitch-Basis (hoher Modul/Steifigkeit, niedrigerer WAK).
Bei einem ausreichend hohen Mast können Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien die Riggspannungen geringfügig verändern.
Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient macht Kohlefaser für Anwendungen geeignet, bei denen kleine Bewegungen kritisch sein können. Teleskope und andere optische Geräte sind eine solche Anwendung.
10-11-12 Ungiftig, biologisch inert, röntgendurchlässig
Diese Eigenschaften machen Carbonfasern nützlich für medizinische Anwendungen. Prothesen, Implantate und Sehnenreparaturen, chirurgische Instrumente mit Röntgenstrahlen sind in der Entwicklung.
Obwohl die Kohlenstofffasern nicht giftig sind, können sie ziemlich reizend sein, so dass eine langfristige ungeschützte Exposition begrenzt werden muss. Die Matrix, entweder Epoxid oder Polyester, kann jedoch giftig sein, so dass entsprechende Vorsicht geboten ist.
13- Kohlenstofffasern sind relativ teuer
Obwohl sie außergewöhnliche Vorteile in Bezug auf Festigkeit, Steifigkeit und Gewichtsreduzierung bieten, sind die Kosten ein Hindernis. Wenn der Gewichtsvorteil nicht außerordentlich wichtig ist, wie z.B. in der Luftfahrt oder im Rennsport, lohnt es sich oft nicht, die zusätzlichen Kosten zu tragen. Der geringe Wartungsbedarf von Kohlefaser ist ein weiterer Vorteil.
Es ist schwierig, Coolness und Mode zu quantifizieren. Kohlefaser hat eine Aura und einen Ruf, der die Verbraucher bereit macht, mehr für das Gütesiegel zu zahlen.
Im Vergleich zu Glasfaser braucht man vielleicht weniger davon und das kann eine Ersparnis sein.
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14- Carbon Fibers are brittle
Die Schichten in den Fasern werden durch starke kovalente Bindungen gebildet. Die blattartigen Anhäufungen lassen die Ausbreitung von Rissen leicht zu. Wenn sich die Fasern biegen, versagen sie bei sehr geringer Belastung. Mit anderen Worten: Kohlenstofffasern biegen sich nicht sehr stark, bevor sie versagen.
Auswirkung eines unterschiedlichen Verhältnisses von Kohlenstofffasern und Matrix
15- Kohlenstofffasern sind noch nicht auf Amateurtechniken ausgerichtet.
Um die Eigenschaften von Kohlenstofffasern zu optimieren, muss ein relativ hohes technisches Niveau erreicht werden. Unvollkommenheiten und Luftblasen können die Leistung erheblich beeinträchtigen. In der Regel sind Autoklaven oder Vakuumanlagen erforderlich. Formen und Dorne sind ebenfalls ein großer Kostenfaktor.
Der Erfolg jeder Amateur-Kohlefaserkonstruktion hängt eng mit dem Können und der Sorgfalt zusammen.
Hier ist ein Link zu einem YouTube-Video von Easy Composite Ltd. über verschiedene Techniken bei der Verwendung von Kohlefasern. Sie haben eine Reihe von Lehrvideos.
Dieser Artikel ist eine laufende Arbeit. Ich werde weiterhin Informationen hinzufügen und den Text verfeinern, während ich das Thema erforsche. Die von mir präsentierten Informationen stammen aus einer Vielzahl von Quellen. Ich habe versucht, sie zu verifizieren, wo ich konnte. Ich versuche, „zuverlässige Quellen“ wie Herstellerangaben, Forschungsarbeiten oder Universitätsartikel zu verwenden. Für einen Überblick verlasse ich mich auch auf Wikipedia.
Guter Artikel von der University of Tennessee über die Herstellung von Kohlenstofffasern.
Christine.
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