Alles über Kohlefaser und wie sie hergestellt wird

Auch Graphitfaser oder Kohlenstoffgraphit genannt, Kohlefaser besteht aus sehr dünnen Strängen des Elements Kohlenstoff. Diese Fasern haben eine hohe Zugfestigkeit und sind für ihre Größe extrem stark. In der Tat ist eine Form von Kohlefaser - die Kohlenstoff-Nanoröhrchen- gilt als das stärkste verfügbare Material. Kohlefaser Anwendungen Dazu gehören Bauwesen, Ingenieurwesen, Luft- und Raumfahrt, Hochleistungsfahrzeuge, Sportgeräte und Musikinstrumente. Im Energiebereich werden Kohlefasern zur Herstellung von Windmühlenblättern, Erdgasspeichern und Brennstoffzellen für den Transport verwendet. In der Flugzeugindustrie findet es Anwendungen sowohl in Militär- und Verkehrsflugzeugen als auch in unbemannten Luftfahrzeugen. Für die Ölexploration wird es zur Herstellung von Tiefwasserbohrplattformen und -rohren verwendet.

Schnelle Fakten: Kohlenstofffaserstatistik

Kohlenstofffasern bestehen aus organischen Polymeren, die aus langen Molekülketten bestehen, die von Kohlenstoffatomen zusammengehalten werden. Die meisten Kohlenstofffasern (ca. 90%) werden nach dem Polyacrylnitril (PAN) -Verfahren hergestellt. Eine kleine Menge (etwa 10%) wird aus Rayon oder dem Petroleum-Pitch-Verfahren hergestellt.

Gase, Flüssigkeiten und andere Materialien, die im Herstellungsprozess verwendet werden, erzeugen spezifische Effekte, Qualitäten und Qualitäten von Kohlenstofffasern. Hersteller von Kohlefasern Verwenden Sie für die von ihnen hergestellten Materialien proprietäre Formeln und Kombinationen von Rohstoffen. Im Allgemeinen behandeln sie diese spezifischen Formulierungen als Geschäftsgeheimnisse.

Die Kohlefaser höchster Qualität mit dem effizientesten Modul (eine Konstante oder ein Koeffizient, der verwendet wird, um einen numerischen Grad bis auszudrücken welche eine Substanz eine bestimmte Eigenschaft besitzt, wie z. B. Elastizität) Eigenschaften werden in anspruchsvollen Anwendungen wie z Luft- und Raumfahrt.

Die Herstellung von Kohlenstofffasern umfasst sowohl chemische als auch mechanische Prozesse. Rohstoffe, sogenannte Vorläufer, werden in lange Stränge gezogen und dann in einer anaeroben (sauerstofffreien) Umgebung auf hohe Temperaturen erhitzt. Anstatt zu brennen, vibrieren die Faseratome durch die extreme Hitze so heftig, dass fast alle Nicht-Kohlenstoffatome ausgestoßen werden.

Nach Abschluss des Carbonisierungsprozesses besteht die verbleibende Faser aus langen, eng ineinandergreifenden Kohlenstoffatomketten mit wenigen oder keinen verbleibenden Nicht-Kohlenstoffatomen. Diese Fasern werden anschließend zu Stoff gewebt oder mit anderen Materialien kombiniert, die dann in die gewünschten Formen und Größen gewickelt oder geformt werden.

Die folgenden fünf Segmente sind typisch für das PAN-Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern:

1. Spinnen. PAN wird mit anderen Zutaten gemischt und zu Fasern gesponnen, die dann gewaschen und gedehnt werden.
2. Stabilisieren. Die Fasern unterliegen einer chemischen Veränderung, um die Bindung zu stabilisieren.
3. Karbonisieren. Stabilisierte Fasern werden auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und bilden fest gebundene Kohlenstoffkristalle.
4. Behandlung der Oberfläche. Die Oberfläche der Fasern wird oxidiert, um die Bindungseigenschaften zu verbessern.
5. Dimensionierung. Fasern werden beschichtet und auf Spulen gewickelt, die auf Spinnmaschinen geladen werden, die die Fasern zu Garnen unterschiedlicher Größe verdrehen. Anstatt zu sein zu Stoffen gewebtEs können auch Fasern geformt werden zusammengesetzt Materialien, die Wärme, Druck oder ein Vakuum verwenden, um Fasern mit einem Kunststoffpolymer zusammenzubinden.

Kohlenstoffnanoröhren werden nach einem anderen Verfahren als Standard-Kohlenstofffasern hergestellt. Nanoröhren sind schätzungsweise 20-mal stärker als ihre Vorläufer und werden in Öfen geschmiedet, in denen Laser zum Verdampfen von Kohlenstoffpartikeln eingesetzt werden.

Die Herstellung von Kohlenstofffasern birgt eine Reihe von Herausforderungen, darunter:

• Die Notwendigkeit einer kostengünstigeren Wiederherstellung und Reparatur
• Nicht nachhaltige Herstellungskosten für einige Anwendungen: Zum Beispiel, obwohl neue Technologien in der Entwicklung sind, aufgrund von unerschwingliche Kosten, die Verwendung von Kohlefaser in der Automobilindustrie ist derzeit auf Hochleistung und Luxus beschränkt Fahrzeuge.
• Der Oberflächenbehandlungsprozess muss sorgfältig reguliert werden, um zu vermeiden, dass Gruben entstehen, die zu fehlerhaften Fasern führen.
• Enge Kontrolle erforderlich, um eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen
• Gesundheits- und Sicherheitsfragen, einschließlich Haut- und Atemreizungen
• Lichtbögen und Kurzschlüsse in elektrischen Geräten aufgrund der starken elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern

Während sich die Kohlefasertechnologie weiterentwickelt, werden sich die Möglichkeiten für Kohlefaser nur diversifizieren und erweitern. Am Massachusetts Institute of Technology zeigen bereits mehrere Studien mit Schwerpunkt auf Kohlefaser a Vielversprechend für die Schaffung neuer Fertigungstechnologien und -designs für die aufstrebende Industrie Nachfrage.

John Hart, Associate Professor für Maschinenbau am MIT, ein Pionier der Nanoröhren, hat mit seinen Studenten an der Transformation gearbeitet die Technologie für die Herstellung, einschließlich der Suche nach neuen Materialien, die in Verbindung mit handelsüblichen 3D-Druckern verwendet werden können. "Ich bat sie, völlig von den Schienen zu denken; Wenn sie sich einen 3D-Drucker vorstellen könnten, der noch nie zuvor hergestellt wurde, oder ein nützliches Material, das mit aktuellen Druckern nicht gedruckt werden kann ", erklärte Hart.

Das Ergebnis waren Prototypen von Maschinen, die geschmolzenes Glas, Softeis und Kohlefaserverbundwerkstoffe bedruckten. Laut Hart haben Studententeams auch Maschinen entwickelt, die die „großflächige parallele Extrusion von Polymeren“ und das „in situ optische Scannen“ des Druckprozesses durchführen können.

Darüber hinaus arbeitete Hart mit Mircea Dinca, Associate Professor für Chemie am MIT, an einer kürzlich abgeschlossenen dreijährigen Zusammenarbeit mit Automobili Lamborghini die Möglichkeiten neuer Kohlefaser- und Verbundwerkstoffe zu untersuchen, die eines Tages nicht nur "die Verwendung der gesamten Karosserie des Autos als Batteriesystem ", aber führen zu" leichteren, stärkeren Körpern, effizienteren Katalysatoren, dünnerer Farbe und verbesserter Wärmeübertragung im Antriebsstrang [insgesamt] ".

Angesichts dieser erstaunlichen Durchbrüche am Horizont ist es kein Wunder, dass der Kohlefasermarkt voraussichtlich von 4,7 USD wachsen wird Milliarden im Jahr 2019 auf 13,3 Milliarden US-Dollar bis 2029 bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 11,0% (oder etwas höher) im gleichen Zeitraum von Zeit.

• McConnell, Vicki. "Die Herstellung von Kohlefaser." CompositeWorld. 19. Dezember 2008
• Sherman, Don. "Jenseits von Kohlefaser: Das nächste bahnbrechende Material ist 20-mal stärker." Auto und Fahrer. 18. März 2015
• Randall, Danielle. “MIT-Forscher arbeiten mit Lamborghini zusammen, um ein Elektroauto der Zukunft zu entwickeln. ” MITMECHE / In den Nachrichten: Department of Chemistry. 16. November 2017
• "Kohlefasermarkt nach Rohmaterial (PAN, Pech, Rayon), Fasertyp (jungfräulich, recycelt), Produkttyp, Modul, Anwendung (Composite, Non-Composite), Endverbrauchsbranche (A & D, Automobilindustrie, Windenergie) und Region - Globale Prognose bis 2029. " Märkte und Märkte ™. September 2019