Kohlefaser ist ein anorganisches Polymerfasermaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 %, das sich durch hohe Festigkeit und hohen Modul auszeichnet. Hier ist eine ausführliche Einführung dazu:
Grundlegende Eigenschaften
- Leicht und hochfest: Die Dichte beträgt nur 1/4 von Stahl und 3/5 von Aluminium, aber seine Festigkeit ist 7-9-mal so hoch wie die von Stahl und 4-mal so hoch wie die von Aluminiumlegierungen. Die spezifische Festigkeit und der Elastizitätsmodul gehören zu den besten unter den technischen Werkstoffen.
- Hohe Temperaturbeständigkeit: Es hält Temperaturen von 2000 Grad in einer inerten Umgebung stand, viel höher als Stahl (der bei 1500 Grad schmilzt) und Glas (das bei 600 Grad erweicht).
- Korrosionsbeständigkeit: Es weist eine gute Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und organischen Lösungsmitteln auf und ist weder alterungs- noch verschleißanfällig.
- Anisotropie: Festigkeit und Modul sind entlang der Faserachsenrichtung extrem hoch, während die radiale Festigkeit relativ schwach ist. Radialkraft sollte vermieden werden.
Struktur und Zusammensetzung
Es entsteht durch Stapeln schichtartiger Graphitmikrokristalle entlang der Faserachse, wodurch eine mikrokristalline Graphitstruktur entsteht. Kohlenstoffatome sind durch kovalente Bindungen mit hoher Bindungsenergie eng verbunden, was ihnen eine hohe Festigkeit und Stabilität verleiht.
Klassifizierung und Anwendung
- Nach Anzahl der Filamente: Es wird in kleine Filamente (innerhalb von 24.000) und große Filamente (über 48.000) unterteilt. Die kleinen Filamente haben eine bessere Leistung und werden in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt; Die großen Filamente sind kostengünstiger und werden häufig in Bereichen wie Automobilen und Sportartikeln eingesetzt.
- Nach Anwendung: Es kann in Luft- und Raumfahrtqualität (hohe Festigkeit und hoher Modul) und Industriequalität (allgemeiner Typ) eingeteilt werden. Ersteres wird in der nationalen Verteidigungs- und Militärindustrie eingesetzt, während letzteres in der zivilen Industrie eingesetzt wird.
- Typische Anwendungen: Luft- und Raumfahrt (z. B. Flugzeugrümpfe, Raketenkomponenten), Automobilbau (Leichtbau von Autokarosserien), Sportausrüstung (Fahrräder, Schläger), neue Energie (Flügel zur Windkrafterzeugung) usw.
Vorbereitungsprozess
Unter Verwendung von Polyacrylnitrilfasern (PAN) als Rohmaterial wird es durch Vor-Oxidation, Karbonisierung und Graphitisierung unter Hochtemperaturbedingungen verarbeitet. Der Prozess ist komplex und erfordert eine strenge Kontrolle von Temperatur und Atmosphäre, um die Leistung der Fasern sicherzustellen.
Vorteile und Einschränkungen
- Vorteile: Leicht, hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Es ist ein ideales Material, um bei Transportfahrzeugen „Gewichtsreduzierung ohne Qualitätseinbußen“ zu erreichen.
- Einschränkungen: Hohe Produktionskosten, bei direkter Verwendung bruchanfällig, erfordert normalerweise die Verbindung mit Harzen, Metallen usw., um als Verbundmaterial verwendet zu werden.
Kohlefaser gilt als „König der neuen Materialien“ und „Schwarzes Gold“. Es nimmt eine unersetzliche Position im High-End-Fertigungsbereich ein. Mit dem technologischen Fortschritt und der Kostensenkung wird sich sein Anwendungsbereich in Zukunft weiter erweitern.
