Kolfiber

6 µm tjock kolfiber jämfört med 50 µm tjockt människohår.

Kolfibrer - i vanligt språk också förkortade kolfibrer eller (från engelska kolfibrerna lehn översatta) kallade kolfiber eller kolfibrer - är industriellt tillverkade fibrer från kolinnehållande råvaror, som omvandlas till grafitliknande anordnat kol genom kemiska reaktioner anpassade till råvaran . Man gör en åtskillnad mellan isotropa och anisotropa typer: isotropa fibrer har endast låga styrkor och mindre teknisk betydelse, anisotropa fibrer uppvisar höga styrkor och styvheter med samtidigt låg töjning vid brott i axiell riktning.

Den viktigaste egenskapen hos kolfibrer som förstyvningskomponent för lätt konstruktion är elasticitetsmodulen ; elasticitetsmodulen för de bästa fibrerna ligger nära den teoretiska elasticitetsmodulen för grafit i a-riktningen .

En kol- fiber eller filament har en diameter på omkring 5-9  mikrometer . Vanligtvis kombineras 1 000 till 24 000 trådar till ett multifilamentgarn ( roving ) som lindas upp. Den vidare bearbetningen till halvfabrikat av textilier . B. tyger , flätor eller fleraxiga tyger utförs på vävmaskiner , flätningsmaskiner eller fleraxiga stickmaskiner eller, inom produktionen av fiberförstärkt plast, direkt på prepreg-anläggningar , pultrusionsanläggningar eller lindningsmaskiner.

Som genvägsfibrer kan de tillsättas till polymerer och bearbetas till plastkomponenter med hjälp av extruderings- och formsprutningssystem . Förutom dessa lågfilamenttyper finns det även så kallade HT-typer med 120 000 till 400 000 enskilda fibrer, som huvudsakligen bearbetas till kortfilter, men också till textilvävnader. Det är också möjligt att kombinera sådana tunga släpvagnar med dunkar, t.ex. B. i form av sju gånger 60 000 enskilda filament.

Fibrerna används huvudsakligen för produktion av kolfiberarmerad plast (CFRP = C fiberarmerad plast). Den engelska förkortningen CFRP (American English Carbon Fiber Reinforced Plastic ) används också.

egenskaper

Kolfibrer är elektriskt och termiskt mycket ledande, elektronegativiteten EN har ett mycket högt värde på 2,50. Skillnaden mot järn (EN = 1,64) är mycket hög vid 0,86, vilket redan är väsentligt frätande i närvaro av en elektrolyt. Som jämförelse är skillnaden i materialparning av järn med aluminium (EN = 1,47) bara 0,17. Kolfibrer har också en negativ värmeutvidgningskoefficient i längdriktningen vid lägre temperaturer . Därför blir de initialt kortare och tjockare när de värms upp.

De två ovan nämnda egenskaperna gör det nödvändigt att isolera kolfiberbaserade komponenter både mekaniskt och elektriskt från andra metallkomponenter om, under användning, temperaturvariationer och kontakt med utomhusluft, vatten och i synnerhet med havsvatten och andra elektrolyter (för exempel smältvatten med vägsalt i vägtrafiken) kan förväntas. Hastigheten för elektrokorrosion av järn, som är i direkt kontakt med kolfibrer, är hög under en lämplig elektrolyt.

• Specifik värmekapacitet : 710 J / ( kgK )
• Värmeledningsförmåga : 17 W / (m K )
• Värmeutvidgningskoefficient : −0.1 · 10 ⁻⁶ / K
• Specifik elektrisk resistans : 1,6 10 ⁻⁵ Ohm m (= 16 Ω mm ² / m)

Kolfibertyper:

• HT - hög hållfasthet ( hög hållfasthet )
• UHT - mycket hög hållfasthet ( Ultra High Tenacity )
• LM - Låg modul
• IM - mellanliggande ( mellanliggande modul )
• HM - extremt styv ( hög modul )
• UM - ( Ultra Modulus )
• UHM - ( Ultra High Modulus )
• UMS - ( Ultra Modulus Strength )
• HMS - hög styvhet / hög hållfasthet ( hög modul / hög belastning )

Enligt denna lista är egenskaperna breda: de tillgängliga draghållfastheterna ligger i intervallet från cirka 3500 MPa till 7000 MPa, dragstyvheterna mellan 230 GPa och nästan 600 GPa och brottöjningarna är ibland under 1% vid höga styvheter, medan de har låga styvheter i kombination med högre styrkor kan vara upp till 2%.

Tillverkning

Thomas Alva Edison fick patent redan 1881 på den glödlampa av kolfiber som han utvecklade med filament tillverkade av pyrolyserade bambufibrer .

Ett stort steg togs 1963 med produktionen av fibrer med orienterade kristallstrukturer i British Royal Aircraft Establishment .

Tillverkningsprocess baserad på polyakrylnitril:
typ III: IM-fiber och typ II: HT-fiber
typ I: HM-fiber

Kolfibrer är tillverkade av organiska råvaror. För det första kommer dessa föreningar ifrågasättas som först kan omvandlas till ett infusibelt mellansteg och sedan kolsyras till kol i en pyrolysprocess med bibehållen form. Genom att sträcka (applicera en dragspänning ) under detta temperaturbehandlingssteg, kan orienteringen av atomstrukturen i fibrerna ändras på ett sådant sätt att högre styrkor och styvhet hos fibrerna uppnås under karbonisering.

Med denna karboniseringsbehandling delas alla element utom den huvudsakliga delen av kol i gasform. Den relativa kolhalten ökar med ökande temperatur, som vanligtvis ligger i området från 1300 till 1500 ° C. Detta uppnår en kolhalt på 96 till 98 viktprocent.

Grafitisering används över 1800 ° C. Framför allt blir strukturen för de grafitiska kolskikten mer och mer perfekt. Avståndet mellan dessa kolskikt ligger dock över det värde som är känt från den faktiska grafiten . Det är därför som termen ” grafitfiber (fiber) ” som används i den engelsktalande världen är strikt felaktig. Detta gäller även termerna "grafitfiber" och "kolfiber" som används i tysktalande länder.

Glödgningsbehandlingen ökar elasticitetsmodulen på grund av det strukturella tillvägagångssättet för grafitgitteret, men detta minskar styrkan.

Den strukturella mångfalden hos fibrerna med ett brett spektrum av egenskaper är resultatet av anisotropin hos de grafitiska skikten som kan kontrolleras via tillverkningsparametrarna . Med kontinuerliga fibrer, beroende på fibertyp, uppnås nästan det teoretiska styvhetsvärdet, men vanligtvis bara 2-4% av den teoretiska styrkan. I fallet med fibrer som, till skillnad från den ovan beskrivna metoden, avsätts från gasfasen (så kallade morrhår med mycket kort längd) kan signifikant högre styrkor uppnås.

Idag finns det tre etablerade utgångsmaterial för kontinuerliga kolfibrer:

Rayon / viskos (cellulosa)

De cellulosabaserade viskosfibrerna som framställs med hjälp av viskosförfarandet är utgångsmaterialet för kolfibrerna. På grund av råmaterialet visar dessa inte en perfekt kolstruktur. De har därför en relativt låg termisk och elektrisk ledningsförmåga. (Men när det användes som glödtråd var den höga ohmska beständigheten gynnsam.) De används därför huvudsakligen som isoleringsmaterial som tål höga termiska belastningar (i frånvaro av luft / syre) , till exempel i ugnskonstruktion.

Polyakrylnitril (PAN)

De flesta av de högpresterande fibrerna (HT / IM) som används idag är tillverkade av polyakrylnitril genom stabiliseringsreaktioner i luft och efterföljande pyrolys under skyddsgas . Deras huvuddrag är deras höga draghållfasthet. En distinktion av Niederfilament- och multifilamentgarn ( engelska HeavyTow ). För den senare används de billigare produktionsteknikerna inom textilindustrin, varför de är de mest kostnadseffektiva.

Otur (olika ursprung)

Som råvara är tonhöjd mycket billigare än PAN, men städ- och bearbetningskostnaderna är så höga att fibrer tillverkade av PAN fortfarande är billigare.

Om tonhöjden bara smälts, spinns och karboniseras erhålls isotropa kolfibrer med lägre hållfasthetsvärden. Endast omvandlingen till den så kallade mesofasen genom en hydreringsbehandling möjliggör en orientering av kolnätplanen längs fiberaxeln genom sträckning under tillverkningsprocessen.

Detta möjliggör också produktion av fibrer med hög styvhet (HM). Med hög draghållfasthet (HMS) samtidigt används dessa fibrer endast i speciella applikationer av kostnadsskäl.

Ytterligare bearbetning

För vidare bearbetning kombineras fibrerna till så kallade trådar. Typerna med 67 tex (1 K), 200 tex (3 K), 400 tex (6 K), 800 tex (12 K) och 1600 tex (24 K), rovings med en glödtråd på mer än 24 K är vanliga , t.ex B. 50 K, 100 K eller 400 K kallas Heavy Tows . Specifikationen 200 tex står för en vikt av (200 g) / (1000 m) och 1 K betyder att 1000 filament kombineras till ett garn.

De grovare garnen ( kallade ” rovings ” för textilglas ) används till exempel som förstärkande fibrer för plana strukturer. Vid flygplanskonstruktion, garnark eller tyger används de så kallade prepregs, som är förimpregnerade med harts, med låg eller medelvikt per ytenhet. Den vanligaste produkten som används inom fordonsindustrin är ett multiaxiellt tyg.

Ansökan

Kolfibertyg

Kolfiberrör, i bakgrunden kolfibergranskningar

Kolfiberlindningsmönster i Carbon Obelisk i Emscherkunst.2010

För att kunna använda fibrernas mekaniska egenskaper bearbetas de vidare vid framställning av fiberkompositer , i synnerhet fiberplastkompositer , och under en tid även i keramiska fiberkompositer . Betydelsen av kolfiberförstärkt plast i högpresterande maskinteknik har ökat betydligt i flera år, även innan de användes i flygplanbyggnad. Vanligt förekommande, speciellt inom sportutrustning för alla sporter, står termer såsom kol , grafit (er) och kolfiber typiskt för kolfiberförstärkt härdplast .

Jämfört med glasfibrer kännetecknas kolfibrer av en lägre vikt och ett högre pris. De är därför särskilt inom flyg- och rymdindustrin samt sportutrustning (såsom fiskespön, racercyklar, mountainbikes, tennisracketar, begagnade motorskridskor , roddbåtar, vindsurfningsutrustning). Således produceras också den så kallade, till exempel monocoque och andra delar av Formel 1 - racerbilar från kolfiberförstärkt plast .

Exempel från luftfart är den vertikala stabilisatorn på Airbus A380 eller flygkroppen till Boeing 787 .

I England är en brygga gjord av kolfiberarmerad betong som tål enorma drag- och kompressionskrafter.

Kolfiberförstärkt kol används huvudsakligen i rymdresor som ett material för värmeskydd eller boostermunstycken , men det används också i den ihåliga glasindustrin som ersättning för asbest eller som foder för fusionsreaktorer .

Kolfiberförstärkta plastkomponenter används nu i stor utsträckning i vissa cyklar , t.ex. B. racercyklar / mountainbikes. Under tiden säljs inte bara ramarna utan även andra komponenter som vevar, hjul, styr, sadelstolpar och andra. gjord av CFRP.

Kolfibrer används också i bågskytte . Moderna sportpilaxlar är tillverkade med kolfiberförstärkning, som är idealiska för långa sträckor på grund av sin låga vikt.

I vattenskidåkningens mikromekanik, i högkvalitativa fiskespön och bågar för stränginstrument och till och med instrument av fiolen i sig, är kolfibrer en annan möjlig applikation.

I tandvården limmas kolfibrer i rötterna för att spricka tänder, men också i form av stift för att få kvarhållning av anliggningar för förstörda tänder.

Den elektriska ledningsförmågan och den lilla storleken (diameter) av kolfibrer i grafitbomber används för militära ändamål. De korta kolfiberavsnitten placerade i en bomb fördelas över respektive objekt med en sönderdelande laddning . Fibrerna distribueras i elektriska system och enheter genom luftflöde, liksom med hjälp av fläktar eller ventilations- och kylsystem, och når även oåtkomliga platser inuti datorer. De kortslutningar som orsakas leder sedan till att stora system misslyckas om styrenheterna påverkas.

Test av material förstärkta med kolfibrer

Både destruktiva och icke-destruktiva testmetoder används för att testa kolfiberförstärkta material. Ett destruktivt test (t.ex. hackstötstest) används för att testa materialets brytbelastning eller brytningsbeteendet. Icke-destruktiva testmetoder, såsom ultraljud eller akustisk testning, används främst för att testa defekter i polymerkomponenten i kompositen (delamineringar, håligheter, bubblor).

Effekter i själva fiberstrukturen (gränder, sprickor, vågor, veck, överlappningar, fiberansamlingar eller missriktningar) mäts med högfrekventa virvelströmmetoder.

Liknande virvelströmsmetoder används för lokal bestämning av vikten per ytenhet i CFRP-komponenter och textilier.

Tillverkare

De största tillverkarna efter produktionskapacitet på 1000 ton (från och med 2018) är:

Avfallshantering och återvinning

Den bortskaffande och återvinning av kolfiberinnehållande material är fortfarande under utveckling och har inte slutgiltigt löst. Det finns olika tillvägagångssätt som eftersträvas, från återanvändning av fiber i fiberförstärkta komponenter till termisk återvinning. Fiber Institute Bremen e. 2008–2010 experimenterade V. med en teknik där riktade fibrer med en fiberlängd på cirka 60 mm applicerades på en termoplastisk polypropenfilm och pressades därmed i höghållfasta mattor (så kallad organofilm ). Med denna teknik, som med andra återvinningsmetoder (t.ex. vid produktion av så kallade organiska ark ), är det första steget att strimla avfallet. Konventionella mekaniska metoder kan användas för detta. Dock skapas små mängder damm från fibrer och matrismaterial. Dessa dammar är oönskade eftersom de inte är lämpliga för återvinning, fibrerna de innehåller är elektriskt ledande och kan leda till att elektriska system går sönder. Dessutom är damm hälsofarligt, så lämpliga skyddskläder måste användas. Den mekaniska bearbetningen av CFRP skapar dock inga ”WHO-fibrer” (fibrer som anses vara potentiellt cancerframkallande). När det gäller termisk återvinning i avfallsförbränningsanläggningar för kommunalt avfall är avfallets uppehållstid i anläggningens heta zon vanligtvis för kort för att fibrerna som är inbäddade i en matris kan brännas fullständigt. Detta kan leda till tekniska problem med elektrostatiska avskiljare . I förbränningsanläggningar för farligt avfall är materialens uppehållstid längre och temperaturen högre. Trots det hittades fibrer i slaggen som dumpas, så att det inte sker någon fullständig återvinning med hjälp av avfallsförbränningsanläggningar.

En termisk materialåtervinning vid återvinning av stål och en ren materialåtervinning vid produktion av kalciumkarbid i en elektrisk bågugn och därmed vid betydligt högre temperaturer undersöks för närvarande. I lämpliga pilottester sönderdelades fibrerna fullständigt och ingen fiberurladdning kunde detekteras.

Vid återvinning z. B. i kommersiella pyrolysanläggningar från fibrerna malda fibrer, producerade korta fibrer eller fiberdukar. Eftersom nästan kontinuerliga fiberegenskaper uppnås från fiberlängder på 3–4 cm kan högkvalitativa produkter produceras igen med fiberdukar och stapelfibrer.

Med en termoplastmatris kan komponenterna strimlas direkt och återanvändas vid formsprutning. Det är inte nödvändigt att separera fibermatrisen.

webb-länkar

Wiktionary: Carbon fiber  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

litteratur

Hauke ​​Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Kolfibrer - produktion, applicering, bearbetning. Hanser Verlag, München 2019, ISBN 978-3-446-45407-1 .