Kolfiberegenskaper
Kolfiberns rykte som material har fått mystiska proportioner! Det har inte bara rykte om sig att vara det bästa och starkaste, utan det har också blivit coolt att ha något som är tillverkat av kolfiber!
Jag påstår inte att jag är någon expert. Den här artikeln kombinerar information som jag har hittat i min forskning om kolfiber, jag är ingen primärkälla. Jag försöker vara korrekt men jag gör misstag, jag vet att detta kan komma som en överraskning för vissa av er, men så är det. Om du planerar att bygga en mast eller andra båtsaker, gör din forskning. Rådgör med en expert och var försiktig. Ha kul.
Först, vad är kolfiber
Kolfiber består, föga förvånande, av kolkristaller som är riktade i en lång axel. Dessa honeycomb-formade kristaller organiserar sig i långa tillplattade band. Denna kristallinriktning gör bandet starkt i den långa axeln. I sin tur ställer sig dessa band i linje med varandra i fibrerna. Fiberformen är den ursprungliga formen på det material (dess föregångare) som används för att framställa kolfibern. Jag känner inte till någon process där fibrerna formas EFTER karboniseringen. Dessa fibrer (som innehåller platta band av kolkristaller) buntas i sin tur av tillverkaren i tjockare fibrer och vävs till kolduk, görs till filt, tvinnas eller buntas utan att tvinnas. Detta kallas Roving. Kolfiber erbjuds också som hackade strängar och pulver.
För att ändra egenskaperna hos uppläggningen tillsätts ibland andra material, t.ex. glasfibrer, kevlar eller aluminium. Kolfiber används sällan som det. Snarare är den inbäddad i en matris. Vid masttillverkning och båtbygge tänker vi vanligtvis på epoxi- eller polyesterhartser, men kolfiber används också som förstärkning för termoplaster, betong eller keramik.
Framställning av kolfiber
Det finns flera metoder för att framställa kolfiber, men i huvudsak börjar alla med att man tillverkar fibrer av ett kolrikt prekursormaterial. Fiberns ursprungliga storlek och form kommer att finnas kvar i den färdiga kolfibern, men den inre kemiska strukturen kommer att ha ändrats kraftigt genom de olika uppvärmningscyklerna. De första stegen är kolning och sträckning av prekursorfibrer, antingen PAN: Polyacrylonitril, Pitch eller Rayon. Det sker flera uppvärmningscykler vid varierande temperaturer utan syrgas. Denna process driver bort de flesta andra element (främst väte och kväve) från utgångsmaterialet och lämnar kolet kvar. Det gör också att kolet gradvis kristalliseras på sitt karakteristiska honungskaftsliknande sätt. Om du inte har sett den än, gå till min sida om kolforskning och titta på videon om kolfiberstruktur. den är fantastisk.
Denna Youtube-video visar hur kolfiber tillverkas och är värd att titta på.
De viktigaste faktorerna som bestämmer kolfiberns fysikaliska egenskaper är karboniseringsgraden (kolinnehållet, vanligen mer än 92 viktprocent) och orienteringen av de skiktade kolplanerna (banden). Fibrer produceras kommersiellt med ett brett spektrum av variationer i kristallint och amorft innehåll för att modifiera eller gynna de olika egenskaperna.
Avhängigt av utgångsmaterialet och karboniseringsprocessen modifieras kolfiber för att passa slutändamålet. PAN eller polyakrylonitril är den vanligaste prekursorn för plastkompositer.
De viktigaste variationerna av egenskaper är styrka kontra styvhet. Genom att använda olika uppvärmningscykler kan båda betonas. Forskning pågår för att modifiera andra egenskaper såsom värme- och elektrisk ledningsförmåga.
Det är inte bara den inre strukturen hos fibrerna som är viktig, utan även hur de är uppradade i de färdiga produkterna har en enorm inverkan på egenskaperna hos det föremål som tillverkas. Korrekt inriktning av kolfibrerna är viktigt för att maximera deras fördelar.
Kolfiberegenskaper, vad är inte att älska!!!
- Hög hållfasthet i förhållande till viktförhållande
- Stabilitet
- Korrosionsbeständighet
- Elektrisk ledningsförmåga
- Förmåga att motstå trötthet
- God draghållfasthet men. Spröd
- Brandbeständighet/inte brännbar
- Hög värmeledningsförmåga i vissa former
- Låg värmeutvidgningskoefficient
- Inte giftigt
- Biologiskt inert
- X-Strålpermeabel
- Relativt dyrt
- Kräver specialiserad erfarenhet och utrustning för att använda.
Jag har inte skrivit i detalj, men kolfiber är självsmörjande, det har också utmärkt EMI (Electromagnetic Interference) avskärmningsegenskap
1- Kolfiber har hög hållfasthet i förhållande till viktförhållande (även kallad specifik hållfasthet)
Hållfasthet hos ett material är kraften per ytenhet vid brott, dividerat med dess densitet. Alla material som är starka OCH lätta har ett gynnsamt styrke- och viktförhållande. Material som aluminium, titan, magnesium, kol- och glasfiber, höghållfasta stållegeringar har alla goda styrke- och viktförhållanden. Det är inte förvånande att balsaträ har ett högt förhållande mellan styrka och vikt.
De följande siffrorna erbjuds endast som jämförelse och varierar beroende på sammansättning, legering, typ av spindel, trädens densitet osv. Enheterna är kN.m/kg.
| Spektrafiber | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Kolfiber | 2457 |
| Glasfiber | 1307 |
| Spindeltråd | 1069 |
| Kolväteekosit | 785 |
| Balsa Axialbelastning | 521 |
| Stållegering | 254 |
| Aluminiumlegering | 222 |
| polypropylen | 89 |
| Ek | 87 |
| Nylon | 69 |
Observera att styrka och styvhet är olika egenskaper, Styrka är motstånd mot brott, styvhet är motstånd mot böjning eller sträckning.
På grund av hur kristallerna i kolfiber orienterar sig i långa platta band eller smala ark av honeycomb-kristaller är styrkan högre i längsled än tvärs över fibern. Det är därför som konstruktörer av kolfiberföremål anger i vilken riktning fibern ska läggas för att maximera styrka och styvhet i en viss riktning. Fibrerna är inriktade på den riktning där spänningen är störst.
Panbaserad prekursor kolfiber har högre hållfasthet än beckbaserad kolfiber som har högre styvhet.
2- Kolfiber är mycket styvt
Stighet eller styvhet hos ett material mäts med dess Young-modul och mäter hur mycket ett material böjs under påfrestning. Kolfiberförstärkt plast är mer än fyra gånger styvare än glasförstärkt plast, nästan 20 gånger styvare än furu och 2,5 gånger styvare än aluminium. För mer information om styvhet och hur den mäts, samt en jämförelsetabell för olika material, se min sida om Young Modulus.
Håll dig i minnet att stress är kraft, deformation är avböjning, t.ex. böjning eller sträckning
3- Kolfiber är korrosionsbeständigt och kemiskt stabilt.
Och även om kolfiber i sig självt inte försämras i mätbar grad är epoxi känsligt för solljus och måste skyddas. Andra matriser (oavsett vad kolfibern är inbäddad i) kan också vara reaktiva.
Kolfiber kan påverkas av starka oxiderande ämnen
Kompositer som tillverkas av kolfiber måste antingen tillverkas med UV-beständig epoxi (ovanligt) eller täckas med en UV-beständig ytbehandling, t.ex. lacker.
4- Kolfiber är elektriskt ledande
Denna egenskap kan antingen vara användbar eller vara ett besvär. I båtbyggen måste ledningsförmåga beaktas precis som aluminiumets ledningsförmåga spelar in. Kolfiberns konduktivitet kan underlätta galvanisk korrosion i beslag. En noggrann installation kan minska detta problem.
Kolfiberdamm kan ansamlas i en verkstad och orsaka gnistor eller kortslutningar i elektriska apparater och utrustning.
Det pågår för närvarande en hel del forskning och utveckling om att använda kolfiberns elektriska ledningsförmåga för att producera värme, antingen för att påskynda härdningen av kompositmaterial, eller för själva uppvärmningsmöjligheterna. Detta skulle kunna användas i vinterkläder eller kläder som är avsedda för tuffa miljöer.
Här finns en forskningsrapport om ledande textilier och deras användning vid upptäckt av sår i stridssituationer. PDF-fil
5- Utmattningsmotstånd är bra
Tillstånd mot utmattning i kolfiberkompositer är bra. Men när kolfiber misslyckas brukar det vanligtvis misslyckas katastrofalt utan betydande yttre tecken för att tillkännage sitt förestående misslyckande.
Skador vid dragutmattning ses som minskad styvhet med ett större antal spänningscykler, (såvida inte temperaturen är hög)
Testerna har visat att det är osannolikt att misslyckande är ett problem när de cykliska påkänningarna sammanfaller med fiberorienteringen. Kolfiber är överlägset E-glas när det gäller utmattning och statisk hållfasthet samt styvhet.
Fibrernas orientering OCH de olika fiberskiktens orientering har ett stort inflytande på hur en komposit kommer att motstå utmattning (liksom på styvheten). Den typ av krafter som tillämpas resulterar också i olika typer av fel. Spännings-, tryck- eller skjuvkrafter resulterar alla i markant olika brottsresultat.
Dokument från Oak Ridge National Laboratory, om test av kolfiberkompositer avsedda för fordonsanvändning. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test för material som ska användas i blad till vindkraftverk.
6- Kolfiber har god draghållfasthet
Tåghållfasthet eller sluthållfasthet är den maximala spänning som ett material kan motstå när det sträcks eller dras innan det knäcks eller går sönder. Inlåsning är när provets tvärsnitt börjar dra ihop sig avsevärt. Om du tar en remsa av en plastpåse kommer den att sträcka sig och vid ett tillfälle börja bli smal. Detta är en inskränkning. Draghållfasthet mäts i kraft per areaenhet. Spröda material, t.ex. kolfiber, går inte alltid sönder vid samma spänningsnivå på grund av inre brister. De går sönder vid små spänningar. (Med andra ord är det inte mycket böjning eller sträckning före katastrofalt brott) Weibullmodul för spröda material
Provning innebär att man tar ett prov med en fast tvärsnittsarea och sedan drar i det genom att gradvis öka kraften tills provet ändrar form eller går sönder. Fibrer, t.ex. kolfibrer, som bara har en diameter på 2/10 000 av en tum, tillverkas till kompositer av lämplig form för att kunna testas.
Enheterna är MPa Denna tabell erbjuds endast som en jämförelse eftersom det finns ett stort antal variabler.
| Kolstål 1090 | 650 |
| Polyeten med hög densitet (HDPE) | 37 |
| Polypropen | 19.7-80 |
| Polyeten med hög densitet | 37 |
| Rått stål AISI 302 | 860 |
| Aluminiumlegering 2014-T6 | 483 |
| Aluminiumlegering 6063-T6 | 248 |
| E-Glas ensam | 3450 |
| E-Glas i laminat | 1500 |
| Enbart kolfiber | 4127 |
| Kolfiber i laminat | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Kinjeträ (parallellt med fibern) | 40 |
NOTE: Vid provning av kolfiber och andra fibrer och icke homogena material måste prover tas som är konsekventa och jämförbara. Detta är inte ett enkelt förfarande. Om du läser forskning där styrka/styvhet jämförs kommer forskarna alltid att förklara hur deras prover har tillverkats, inklusive typ av matris, inriktning av fibrerna, förhållandet mellan fibrer och matris bland andra faktorer. Denna svårighet förklarar varför mätningarna kan variera ganska mycket mellan olika forskningsresultat.
7- Brandbeständighet/icke brännbart
Här finns en artikel om återvinning av kolfiber genom att bränna bort matrisen.
Kolfiber klassificeras som obrännbart och har ingen angiven flampunkt. Om den utsätts för hög värme i närvaro av brinnande bränsle kan den så småningom oxideras, men så snart lågan och bränslet avlägsnas fortsätter inte lågan.
Om kolfiber nästan alltid används i en matris, t.ex. epoxi, plast eller betong, är matrisens tolerans mot hög temperatur den mer betydelsefulla faktorn.
Avhängigt av tillverkningsprocessen och prekursormaterialet kan kolfiber fås att kännas ganska mjukt i handen och kan göras till eller oftare integreras i skyddskläder för brandbekämpning. Nickelbelagd fiber är ett exempel. Eftersom kolfiber också är kemiskt mycket inert kan den användas där det finns brand i kombination med frätande ämnen.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Värmeledningsförmåga hos kolfiber
Se min artikel om värmeledningsförmåga hos kolbaserade material, inklusive kolfiber, nanorör och grafen.
Värmeledningsförmåga är den mängd värme som överförs genom en enhetstjocklek, i en riktning som är normal till en yta med en enhetsyta, på grund av en enhets temperaturgradient, under jämna förhållanden. Det är med andra ord ett mått på hur lätt värme flödar genom ett material.
Det finns ett antal mätsystem beroende på metriska eller brittiska enheter.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Denna tabell är endast till för jämförelse. Enheterna är W/(m.K)
| Luft | .024 |
| Aluminium | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Kolstål | 54 |
| Mineralullsisolering | .04 |
| Plywood | .13 |
| Kvarts | 3 |
| Pyrexglas | 1 |
| Pine | .12 |
| Kolfiberförstärkt epoxi | 24 |
Då det finns många variationer på temat kolfiber är det inte möjligt att exakt fastställa värmeledningsförmågan. Särskilda typer av kolfiber har utformats specifikt för hög eller låg värmeledningsförmåga. Det finns också insatser för att förbättra denna egenskap.
The Materials Information Society har en sida om ”grafit” AKA Carbon Fiber
9- Låg termisk utvidgningskoefficient
Detta är ett mått på hur mycket ett material expanderar och drar ihop sig när temperaturen stiger eller sjunker.
Enheterna är i tum / tum grad F, som i andra tabeller är enheterna inte så viktiga som jämförelsen.
| Stål | 7 |
| Aluminium | 13 |
| Kevlar | 3 eller lägre |
| Kolfiber vävd | 2 eller mindre |
| Kolfiber enkelriktad | minus 1 till +8 |
| Glasfiber | 7-8 |
| Mässing | 11 |
Kolfiber kan ha ett brett spektrum av CTE, -1 till 8+, beroende på den uppmätta riktningen, tygväven, prekursormaterialet, Pan-baserat (hög hållfasthet, högre CTE) eller Pitch-baserat (hög modul/styvhet, lägre CTE).
I en tillräckligt hög mast kan skillnader i värmeutvidgningskoefficienter för olika material ändra riggspänningarna något.
Låg värmeutvidgningskoefficient gör kolfiber lämpligt för tillämpningar där små rörelser kan vara kritiska. Teleskop och andra optiska maskiner är en sådan tillämpning.
10-11-12 Icke giftigt, biologiskt inert, röntgengenomsläppligt
Dessa kvaliteter gör kolfiber användbart i medicinska tillämpningar. Användning av proteser, implantat och senreparation, kirurgiska instrument med röntgentillbehör, är alla under utveckling.
Och även om kolfibrerna inte är giftiga kan de vara ganska irriterande och långvarig oskyddad exponering måste begränsas. Matrisen, antingen epoxi eller polyester, kan dock vara giftig och lämplig försiktighet måste iakttas.
13- Kolfiber är relativt dyrt
Och även om kolfiber erbjuder exceptionella fördelar i form av styrka, styvhet och viktminskning, är kostnaden avskräckande. Om inte viktfördelen är exceptionellt viktig, t.ex. vid flygtillämpningar eller tävlingar, är det ofta inte värt den extra kostnaden. Det låga underhållsbehovet för kolfiber är ytterligare en fördel.
Det är svårt att kvantifiera vad som är coolt och modernt. Kolfiber har en aura och ett rykte som gör att konsumenterna är villiga att betala mer för att få cachet av att ha det.
Du kanske behöver mindre av det jämfört med glasfiber och det kan vara en besparing.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs levererar kolfiber och glasduk till amatörbåtsbyggare, vandra i deras online-katalog och jämför priserna. (Kanadensisk butik)
14- Kolfiber är spröda
Lagren i fibrerna bildas av starka kovalenta bindningar. De arkliknande aggregaten tillåter lätt spridning av sprickor. När fibrerna böjer sig går de sönder vid mycket låg belastning. Med andra ord böjs kolfiber inte mycket innan den går sönder.
Effekt av varierande förhållande mellan kolfiber och matris
15- Kolfiber är ännu inte anpassat till amatörtekniker.
För att maximera kolfiberegenskaperna måste man uppnå en relativt hög teknisk nivå. Ojämnheter och luftbubblor kan avsevärt påverka prestandan. Vanligtvis krävs autoklaver eller vakuumutrustning. Formar och dorn är också stora utgifter.
Framgången för varje amatörkonstruktion av kolfiber kommer att vara nära kopplad till den skicklighet och omsorg som läggs ner.
Här är en länk till en YouTube-video från Easy Composite Ltd. om olika tekniker som använder kolfiber. De har ett antal instruktionsvideor.
Denna artikel är ett pågående arbete. Jag kommer att fortsätta att lägga till information och förfina texten allteftersom jag utforskar ämnet. Den information som jag har presenterat kommer från en mängd olika källor. Jag har försökt verifiera den när jag har kunnat. Jag försöker använda ”tillförlitliga källor” som tillverkarens uppgifter, forskningsrapporter eller universitetsartiklar. Jag förlitar mig också på Wikipedia för att få en överblick.
God artikel från University of Tennessee om produktion av kolfiber.
Christine.
E-posta mig om du hittar fel, så rättar jag till dem och vi alla tjänar på det: Christine