Wie es gemacht wird: Die Kunst der Carbonfaserherstellung
Es geht nichts über Carbonfaser. Die Herstellung von Kohlenstofffasern ist ein einzigartiges Verfahren und faszinierend, wenn man es genauer betrachtet.
Um alles über Kohlenstofffasern zu erfahren, lesen Sie weiter unten.
Das Wichtigste über die Herstellung von Kohlenstofffasern
Wie bei anderen Materialien auch, beginnt die Herstellung von hochwertigen Kohlenstofffasern mit einer Basiskomponente: Polyacrylnitril (PAN). 90 % der Kohlenstofffasern werden daraus hergestellt. Die anderen 10 % – Erdölpech oder Rayon.
Hersteller verwenden eine Vielzahl von Flüssigkeiten und Gasen, um Kohlenstofffasern herzustellen. Während des Spinnens vermischt sich das PAN mit anderen Zutaten, die zu Fasern gesponnen werden. Dann werden die Fasern gewaschen und gestreckt.
Als nächstes folgt die Stabilisierung. In diesem Schritt werden die Fasern 30-120 Minuten lang auf 390-590° F erhitzt. In dieser Phase passieren einige Dinge.
Erst bekommen die Fasern die Sauerstoffmoleküle der Luft. Dabei ordnet sich das atomare Bindungsmuster im Laufe chemischer Reaktionen neu an. Die bei den kommerziellen Stabilisierungsverfahren eingesetzten Techniken und Geräte variieren von einem Verfahren zum anderen.
Bei einigen Verfahren werden die Fasern durch beheizte Kammern gezogen. Andere führen sie über heiße Walzen und durch lose Materialien.
Nach der Stabilisierung folgt die Karbonisierung. Die stabilisierten Fasern werden in einem glühenden Ofen bei 1.830-5.500° F viele Minuten lang mit einem sauerstofflosen Gasgemisch erhitzt. Die Abwesenheit von Sauerstoff verhindert, dass die Fasern verbrennen.
Durch die Erhitzung der Fasern verlieren sie ihre Nicht-Kohlenstoffatome und sogar einige Kohlenstoffatome. Das geschieht in Form von Gasen wie Ammoniak, Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff und anderen. Während die Nicht-Kohlenstoffatome fliehen, bilden die verbleibenden Kohlenstoffatome eng gebundene Kohlenstoffkristalle.
Mehr über die Wissenschaft hinter der Kohlenstofffaser
Der Herstellungsprozess hört damit nicht auf.
Wenn die Fasern verkohlen, oxidiert die Oberfläche etwas. Das Hinzufügen von Sauerstoffatomen auf der Oberfläche ermöglicht eine stärkere chemische Bindung. Außerdem wird die Oberfläche aufgeraut und geätzt, um eine bessere mechanische Bindung zu ermöglichen.
Die Hersteller oxidieren die Fasern, indem sie sie in Kohlendioxid, Luft, Ozon oder andere Gase legen. Oder sie verwenden Flüssigkeiten wie Salpetersäure oder Natriumhypochlorit.
Fasern können auch als Pluspol in ein Bad aus elektrisch leitenden Materialien gelegt werden, um sie elektrolytisch zu beschichten. Die Hersteller müssen die Oberflächenbehandlung stets sorgfältig kontrollieren, um die Bildung von Löchern und anderen kleinen Oberflächenfehlern zu verhindern. Diese könnten zum Versagen der Faser führen.
Der letzte Schritt im Herstellungsprozess von Kohlenstofffasern ist das Schlichten. Dabei werden die Fasern beschichtet, um sie vor Beschädigungen beim Weben oder Wickeln zu schützen. Die Beschichtungsmaterialien arbeiten mit dem Klebstoff zusammen, der bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet wird.
Die beschichteten Fasern werden dann in den letzten Mini-Schritten der Herstellung der handgefertigten Produkte von Hand auf Spulen gewickelt. Schließlich werden die Spulen in der Maschine gesponnen, und die Fasern werden zu Garn.
Eine mehrstufige Reise
Wie Sie sehen können, ist der Herstellungsprozess von Kohlenstofffasern eine sorgfältige und bewusste Reise zur Perfektion der Kohlenstofffasern. Ein gut geplanter, kalkulierter und hoch wissenschaftlicher Fortschritt, der für Kohlenstofffasern entwickelt wurde.
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