Koolstofvezel Kenmerken
De reputatie van koolstofvezel als materiaal heeft mystieke proporties aangenomen! Niet alleen heeft het de reputatie het beste en het sterkste te zijn, maar het is ook cool geworden om iets van koolstofvezel te hebben!
Ik beweer niet een expert te zijn. Dit artikel combineert informatie die ik heb gevonden in mijn onderzoek naar Carbon Fiber, ik ben geen primaire bron. Ik probeer nauwkeurig te zijn, maar ik maak fouten, ik weet dat dit voor sommigen van u als een verrassing kan komen, maar het is nu eenmaal zo. Als u van plan bent om een mast of andere bootdingen te bouwen, doe uw onderzoek. Raadpleeg een expert, en wees voorzichtig. Veel plezier.
Eerst, wat is koolstofvezel
Koolstofvezel, niet verrassend, is gemaakt van koolstofkristallen die in een lange as zijn uitgelijnd. Deze honingraatvormige kristallen organiseren zich in lange, afgeplatte linten. Deze kristaluitlijning maakt het lint sterk in de lange as. Op hun beurt vormen deze linten zich tot vezels. De vezelvorm is de oorspronkelijke vorm van het materiaal (de precursor) dat is gebruikt om de koolstofvezel te produceren. Ik ken geen proces waarbij de vezels worden gevormd NADAT ze zijn gecarboniseerd. Deze vezels (die platte linten van koolstofkristallen bevatten) worden op hun beurt door de fabrikant gebundeld in dikkere vezels en worden geweven tot koolstofdoek, verwerkt tot vilt, getwijnd of gebundeld zonder te torderen. Dit wordt Roving genoemd. Koolstofvezel wordt ook aangeboden als gehakte strengen en poeder.
Om de eigenschappen van de oplegging te wijzigen, worden soms andere materialen toegevoegd zoals glasvezels, Kevlar of Aluminium. Koolstofvezel wordt zelden als zodanig gebruikt. Het wordt eerder ingebed in een matrix. In de masten- en botenbouw denken we meestal aan epoxy- of polyesterharsen, maar koolstofvezel wordt ook gebruikt als versterking voor thermoplasten, beton of keramiek.
Bereiding van koolstofvezel
Er zijn verschillende methoden om koolstofvezel te maken, maar in wezen beginnen ze allemaal met het maken van vezels uit een koolstofrijk precursormateriaal. De oorspronkelijke grootte en vorm van de vezel zullen in de afgewerkte koolstofvezel blijven, maar de interne chemische structuur zal door de diverse verwarmingscycli sterk zijn gewijzigd. De eerste stappen zijn het carboniseren en strekken van de voorlopervezels, ofwel PAN: Polyacrylonitril, Pitch of Rayon. Er zijn verschillende verhittingscycli bij variërende temperaturen waarbij zuurstof wordt uitgesloten. Dit proces verdrijft de meeste andere elementen (hoofdzakelijk waterstof en stikstof) van het uitgangsmateriaal en laat koolstof achter. Het zorgt er ook voor dat de koolstof geleidelijk kristalliseert in zijn karakteristieke honingraatvorm. Als je het nog niet hebt gezien, ga dan naar mijn Carbon Research pagina en bekijk de video over Carbon fibre structure. het is fantastisch.
Deze Youtube video laat zien hoe carbon fiber wordt gemaakt en is de moeite van het bekijken waard.
De belangrijkste factoren die de fysische eigenschappen van carbon fiber bepalen zijn de mate van carbonisatie (carbon gehalte, meestal meer dan 92% in gewicht) en de oriëntatie van de gelaagde carbon vlakken (de linten). Vezels worden commercieel geproduceerd met een breed scala van kristallijne en amorfe inhoudsvariaties om de verschillende eigenschappen te wijzigen of te bevorderen.
Afhankelijk van het uitgangsmateriaal en het carbonisatieproces wordt de koolstofvezel aangepast aan het einddoel. PAN of polyacrylonitril is de meest gebruikte grondstof voor kunststofcomposieten.
De belangrijkste variatie in eigenschappen is sterkte versus stijfheid. Door verschillende verwarmingscycli te gebruiken kunnen beide worden benadrukt. Er wordt onderzoek gedaan om andere eigenschappen zoals warmte- en elektrische geleiding te wijzigen.
Niet alleen de interne structuur van de vezels is belangrijk, maar ook de manier waarop ze in de eindproducten zijn opgesteld, heeft een enorme invloed op de eigenschappen van het te vervaardigen voorwerp. De juiste uitlijning van de koolstofvezels is essentieel om hun voordelen te maximaliseren.
Carbon Fiber Properties, What’s Not to Love!!!
- Hoge sterkte/gewichtsverhouding
- Rigiditeit
- Corrosiebestendigheid
- Elektrisch geleidingsvermogen
- Vermoeidheidsweerstand
- Goede treksterkte maar Bros
- Brandbestendigheid/Niet brandbaar
- Hoog warmtegeleidingsvermogen in sommige vormen
- Lage coëfficiënt van thermische uitzetting
- Niet giftig
- Biologisch inert
- X-Ray Permeable
- Relatively Expensive
- Vereist gespecialiseerde ervaring en materiaal te gebruiken.
Ik heb niet in detail geschreven, maar de koolstofvezel is zelfsmerend, heeft het ook Uitstekend EMI (Elektromagnetische Interferentie) Beschermend Bezit
1- De Vezel van de Koolstof heeft Hoge Sterkte aan Gewichtsverhouding (ook genoemd geworden specifieke sterkte)
De sterkte van een materiaal is de kracht per oppervlakteeenheid bij mislukking, die door zijn dichtheid wordt gedeeld. Elk materiaal dat sterk EN licht is, heeft een gunstige sterkte/gewichtsverhouding. Materialen als aluminium, titanium, magnesium, koolstof- en glasvezel, hoogsterkte staallegeringen hebben allemaal een goede sterkte-gewichtsverhouding. Het is niet verwonderlijk dat Balsahout een hoge sterkte/gewicht verhouding heeft.
De volgende cijfers worden alleen ter vergelijking aangeboden en zullen variëren afhankelijk van de samenstelling, legering, soort spin, dichtheid van het hout enz. De eenheden zijn kN.m/kg.
| Spectravezel | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Koolstofvezel | 2457 |
| Glasvezel | 1307 |
| Spinnenzijde | 1069 |
| Koolstof-Epoxy Composiet | 785 |
| Balsa axiale belasting | 521 |
| Staallegering | 254 |
| Aluminiumlegering | 222 |
| polypropyleen | 89 |
| Eiken | 87 |
| Nylon | 69 |
Merk op dat sterkte en stijfheid verschillende eigenschappen zijn, sterkte is weerstand tegen breken, stijfheid is weerstand tegen buigen of uitrekken.
Omwille van de manier waarop de kristallen van koolstofvezel zich oriënteren in lange platte linten of smalle vellen honingraatkristallen, is de sterkte hoger in de lengterichting dan dwars over de vezel. Daarom specificeren ontwerpers van voorwerpen van koolstofvezel de richting waarin de vezel moet worden gelegd om de sterkte en stijfheid in een bepaalde richting te maximaliseren. De vezel wordt uitgelijnd met de richting van de grootste spanning.
Koolstofvezel op basis van pan heeft een hogere sterkte dan koolstofvezel op basis van pitch, die een hogere stijfheid heeft.
2- Koolstofvezel is zeer stijf
Rigiditeit of stijfheid van een materiaal wordt gemeten door zijn Young Modulus en meet hoeveel een materiaal doorbuigt onder spanning. Met koolstofvezel versterkte kunststof is meer dan 4 keer stijver dan met glas versterkte kunststof, bijna 20 keer stijver dan grenen, 2,5 keer stijver dan aluminium. Voor meer informatie over stijfheid en hoe het wordt gemeten, plus een vergelijkingstabel van verschillende materialen zie mijn Young Modulus pagina.
Bedenk dat stress kracht is, rek is doorbuiging zoals buigen of strekken
3- Koolstofvezel is corrosiebestendig en chemisch stabiel.
Hoewel koolstofvezels zelf niet meetbaar verslechteren, is epoxy gevoelig voor zonlicht en moet het beschermd worden. Andere matrices (waarin de koolstofvezel is ingebed) kunnen ook reactief zijn.
Koolstofvezels kunnen worden aangetast door sterke oxiderende middelen
Composieten gemaakt van koolstofvezel moeten ofwel worden gemaakt met UV-bestendige epoxy (niet gebruikelijk), of bedekt met een UV-bestendige afwerking zoals vernissen.
4- Koolstofvezel is elektrisch geleidend
Deze eigenschap kan zowel nuttig zijn of een overlast vormen. In de bootbouw moet met geleidingsvermogen rekening worden gehouden enkel aangezien het geleidingsvermogen van Aluminium in het spel komt. Het geleidingsvermogen van de koolstofvezel kan Galvanische Corrosie in montage vergemakkelijken. Zorgvuldige installatie kan dit probleem verminderen.
Koolstofvezelstof kan zich in een winkel ophopen en vonken of kortsluiting veroorzaken in elektrische apparaten en apparatuur.
Er is momenteel vrij veel R&D over het gebruik van de elektrische geleidbaarheid van koolstofvezel om warmte te produceren, hetzij voor snellere uitharding van composietmaterialen, of voor de verwarmingsmogelijkheden zelf. Dit zou toepassing kunnen vinden in winterkleding of kleding bestemd voor ruwe omgevingen.
Hier is een onderzoekspaper over geleidend textiel en het gebruik ervan in de opsporing van gevechtswonden. PDF file
5- Vermoeiingsweerstand is goed
Vermoeiingsweerstand in koolstofvezelcomposieten is goed. Nochtans wanneer de koolstofvezel mislukt het gewoonlijk catastrofaal zonder significante buitenkanttekens om zijn op komst zijnde mislukking aan te kondigen. Schade in trekmoeheid wordt gezien als vermindering in stijfheid met groter aantal spanningscycli, (tenzij de temperatuur hoog is)
Test hebben aangetoond dat de mislukking onwaarschijnlijk om een probleem is wanneer de cyclische spanningen met de vezelrichtlijn samenvallen. Koolstofvezel is superieur aan E-glas in vermoeiing en statische sterkte evenals stijfheid.
De oriëntatie van de vezels EN de verschillende vezellaag oriëntatie, hebben een grote invloed op hoe een composiet vermoeiing zal weerstaan (net als op stijfheid). Het type krachten dat wordt uitgeoefend resulteert ook in verschillende types van breuken. Spanning, compressie of afschuiving resulteren in duidelijk verschillende resultaten.
Paper van Oak Ridge National Laboratory, over het testen van koolstofvezelcomposieten voor gebruik in de automobielindustrie. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test voor materialen die in windturbinebladen worden gebruikt.
6- Koolstofvezel heeft goede treksterkte
Treksterkte of ultieme sterkte, is de maximale spanning die een materiaal kan weerstaan terwijl het wordt uitgerekt of getrokken voordat het bezwijkt, of bezwijkt. Het insnoeren is wanneer de dwarsdoorsnede van het monster aanzienlijk begint samen te trekken. Als je een strook plastic zak neemt, zal deze uitrekken en op een gegeven moment smal worden. Dit is nekken. Treksterkte wordt gemeten in kracht per oppervlakte-eenheid. Brosse materialen, zoals koolstofvezel, bezwijken niet altijd op hetzelfde spanningsniveau vanwege interne gebreken. Zij bezwijken bij kleine spanningen. (met andere woorden er is niet veel buiging of uitrekking voordat catastrofaal falen optreedt) Weibull modulus of brittle materials
Testen houdt in dat men een monster neemt met een vaste doorsnede, en er dan geleidelijk aan trekt, de kracht opvoerend tot het monster van vorm verandert of breekt. Vezels, zoals koolstofvezels, die slechts 2/10.000ste van een duim in diameter zijn, worden in composieten van aangewezen vormen gemaakt om te testen.
De eenheden zijn MPa Deze tabel wordt aangeboden als slechts een vergelijking aangezien er een groot aantal variabelen zijn.
| Koolstofstaal 1090 | 650 |
| Hoge dichtheid polyethyleen (HDPE) | 37 |
| Polypropyleen | 19.7-80 |
| Hoge dichtheid polyethyleen | 37 |
| Roestvast staal AISI 302 | 860 |
| Aluminiumlegering 2014-.T6 | 483 |
| Aluminiumlegering 6063-T6 | 248 |
| E-Glas alleen | 3450 |
| E-Glas in een laminaat | 1500 |
| Koolstofvezel alleen | 4127 |
| Koolstofvezel in een laminaat | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Pijnhout (parallel aan nerf) | 40 |
NOTE: Bij het testen van koolstofvezel, en andere vezels en niet homogene materialen, moeten monsters worden gemaakt die consistent en vergelijkbaar zijn. Dit is geen eenvoudige procedure. Als u onderzoek leest waarbij sterkte/stijfheid wordt vergeleken, zullen de onderzoekers altijd uitleggen hoe hun monsters werden vervaardigd, met inbegrip van het type matrix, de uitlijning van de vezels, de verhouding tussen vezels en matrices en andere factoren. Deze moeilijkheid verklaart waarom metingen nogal kunnen verschillen tussen onderzoeksresultaten.
7- Brandwerendheid/Niet Brandbaar
Hier is een artikel over het recyclen van koolstofvezel door het afbranden van de matrix.
Koolstofvezel is geclassificeerd als niet brandbaar en heeft geen vermeld vlampunt. Als het wordt blootgesteld aan hoge hitte in aanwezigheid van brandende brandstof, kan het uiteindelijk oxideren, maar zodra de vlam en brandstof worden verwijderd, gaat de vlam niet verder.
Omdat koolstofvezel bijna altijd wordt gebruikt in een matrix zoals epoxy, kunststof of beton, is de tolerantie van de matrix voor hoge temperatuur de belangrijkere factor.
Afhankelijk van het fabricageproces en het precursormateriaal kan koolstofvezel vrij zacht in de hand aanvoelen en kan het worden verwerkt in beschermende kleding voor brandbestrijding. Vezel met een nikkellaag is een voorbeeld. Omdat koolstofvezel ook chemisch zeer inert is, kan het worden gebruikt waar sprake is van vuur in combinatie met bijtende stoffen.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18 ” X 24 ” 
8- Warmtegeleidingscoëfficiënt van koolstofvezel
Zie mijn artikel over Warmtegeleidingscoëfficiënt van op koolstof gebaseerde materialen, waaronder koolstofvezel, nanobuisjes en grafeen.
Thermische geleidbaarheid is de hoeveelheid warmte die door een eenheidsdikte wordt geleid, in een richting loodrecht op een oppervlak van een eenheidsoppervlakte, als gevolg van een eenheids temperatuurgradiënt, onder stabiele omstandigheden. Met andere woorden het is een maat voor hoe gemakkelijk warmte door een materiaal stroomt.
Er zijn een aantal maatsystemen, afhankelijk van metrische of imperiale eenheden.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Deze tabel dient alleen ter vergelijking. De eenheden zijn W/(m.K)
| Lucht | .024 |
| Aluminium | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Koolstofstaal | 54 |
| Minerale wol isolatie | .04 |
| Multiplex | .13 |
| Quartz | 3 |
| Pyrex Glas | 1 |
| Pine | .12 |
| Carbon Fiber Reinforced Epoxy | 24 |
Omdat er vele variaties op het thema van koolstofvezel zijn is het niet mogelijk om precies de thermische geleidbaarheid aan te geven. Speciale soorten koolstofvezel zijn speciaal ontworpen voor een hoge of lage thermische geleidbaarheid. Er zijn ook pogingen om deze eigenschap te verbeteren.
De Materials Information Society heeft een pagina over “grafiet” AKA Carbon Fiber
9- Lage Coëfficiënt van Thermische Uitzetting
Dit is een maat voor hoeveel een materiaal uitzet en krimpt als de temperatuur omhoog of omlaag gaat.
De eenheden zijn in Inch / inch graad F, zoals in andere tabellen, de eenheden zijn niet zo belangrijk als de vergelijking.
| Staal | 7 |
| Aluminium | 13 |
| Kevlar | 3 of lager |
| Koolstofvezel geweven | 2 of minder |
| Koolstofvezel unidirectioneel | minus 1 tot +8 |
| Fiberglas | 7-8 |
| Brass | 11 |
Koolstofvezel kan een brede waaier van CTE’s hebben, -1 tot 8+, afhankelijk van de gemeten richting, het weefselweefsel, het precursormateriaal, op Pan-basis (hoge sterkte, hogere CTE) of op Pitch-basis (hoge modulus/stijfheid, lagere CTE).
In een mast die hoog genoeg is kunnen verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten van verschillende materialen de tuigspanningen enigszins wijzigen.
Lage thermische uitzettingscoëfficiënt maakt koolstofvezel geschikt voor toepassingen waarbij kleine bewegingen kritisch kunnen zijn. De telescoop en andere optische machines zijn één dergelijke application.
10-11-12 Niet Giftig, Biologisch Inert, röntgenstraal Permeable
These kwaliteit maken de vezel van de Koolstof in Medische toepassingen nuttig. Het gebruik van de prothese, de implantaten en de peesreparatie, de chirurgische instrumenten van x-ray toebehoren, zijn allen in development.
Hoewel niet giftig, de koolstofvezels vrij irriterend kunnen zijn en de onbeschermde blootstelling op lange termijn moet worden beperkt. De matrijs of epoxy of polyester, kan nochtans giftig zijn en de juiste zorg moet worden exercised.
13- De Vezel van de koolstof is Relatief Duur
Hoewel het uitzonderlijke voordelen van Sterkte, Stijfheid en Gewichtsvermindering aanbiedt, zijn de kosten een afschrikmiddel. Tenzij het gewichtsvoordeel uitzonderlijk belangrijk is, zoals in luchtvaarttoepassingen of het rennen, is het vaak niet de extra kosten waard. De lage onderhoudsbehoefte van koolstofvezel is een verder voordeel.
Het is moeilijk om cool en modieus te kwantificeren. Carbon fiber heeft een aura en reputatie waardoor consumenten bereid zijn meer te betalen voor het cachet van het hebben van it.
Je zou minder van het nodig hebben in vergelijking met glasvezel en dit zou een besparing kunnen zijn.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs levert Carbon Fiber en Glas doek aan amateur boot bouwers, dwalen in hun online catalogus en vergelijk de prijzen. (Canadese Opslag)
14- De Vezels van de Koolstof zijn bros
De lagen in de vezels worden gevormd door sterke covalente bindingen. De plaatachtige aggregaties laten gemakkelijk de voortplanting van scheuren toe. Wanneer de vezels buigen, bezwijken zij bij zeer lage spanning. Met andere woorden koolstofvezel buigt niet veel voordat het bezwijkt.
Effect van variërende koolstofvezel en matrix verhouding
15- Koolstofvezel is nog niet afgestemd op Amateur technieken.
Om de eigenschappen van koolstofvezel te maximaliseren, moet een relatief hoog niveau van technische uitmuntendheid worden bereikt. Imperfecties en luchtbellen kunnen de prestaties aanzienlijk beïnvloeden. Doorgaans zijn autoclaven of vacuümapparatuur vereist. Mallen en doornen zijn belangrijke kosten ook.
Het succes van elke amateur koolstofvezel constructie zal nauw worden gekoppeld aan de vaardigheid en zorg genomen.
Hier is een link naar een YouTube-video door Easy Composite Ltd. op verschillende technieken met behulp van koolstofvezel. Zij hebben een aantal instructievideo’s.
Dit artikel is een werk in uitvoering. Ik zal doorgaan met informatie toe te voegen en de tekst te verfijnen als ik het onderwerp te verkennen. De informatie die ik heb gepresenteerd komt uit een verscheidenheid van bronnen. Ik heb geprobeerd ze te verifiëren waar ik kon. Ik probeer “betrouwbare bronnen” te gebruiken, zoals gegevens van de fabrikant, onderzoekspapers of universiteitsartikelen. Ik vertrouw ook op Wikipedia voor een overzicht.
Goed artikel van de Universiteit van Tennessee over de productie van koolstofvezel.
Christine.
stuur me een e-mail als je fouten vindt, ik zal ze herstellen en we zullen er allemaal van profiteren: Christine