Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?
Het productieproces van koolstofvezel is deels chemisch en deels mechanisch. Hier is een gedetailleerde beschrijving van hoe koolstofvezel wordt gemaakt:
Stap 1: Grondstoffen of precursor voorbereiden
Om koolstofvezel te vervaardigen is het gebruik van een organische polymeervoorloper een must. De precursor is de term die wordt gebruikt om te verwijzen naar de grondstof die wordt gebruikt bij de productie van koolstofvezels. Ongeveer 90% van de vervaardigde koolstofvezels is afgeleid van polyacrylonitril (PAN). De overige 10% van de koolstofvezels zijn gemaakt van rayon of petroleumpek. Deze grondstoffen worden geclassificeerd als organische polymeren, gekenmerkt door lange reeksen moleculen die aan elkaar zijn gebonden door koolstofatomen.
Stap 2: Stabiliserende en carboniserende vezels
Na het bereiden van de precursor wordt deze tot lange vezels getrokken. Het productieproces van koolstofvezels begint met carbonisatie. Vóór de carbonisatie moeten de vezels chemisch worden gewijzigd om hun lineaire atomaire binding om te zetten in een thermisch stabielere ladderbinding. Dit wordt uitgevoerd door de vezels in lucht te verwarmen tot ongeveer 390-590°F (200-300°C) gedurende 30-120 minuten. Dit zorgt ervoor dat zuurstofmoleculen door de vezels uit de lucht worden opgenomen, wat resulteert in een herschikking van hun atomaire bindingspatroon.
Nadat de vezels zijn gestabiliseerd, worden ze gedurende enkele minuten verwarmd tot ongeveer 1.000-3.000 ° C (1.830-5.500 ° F) in een oven gevuld met een zuurstofvrij gasmengsel. Bij extreem hoge temperaturen beschermt de afwezigheid van zuurstof de vezels tegen verbranding. Wanneer vezels worden verwarmd, verliezen ze niet-koolstofatomen. Vervolgens vormen de resterende koolstofatomen stevig gebonden koolstofkristallen die evenwijdig aan de lange as van de vezel zijn uitgelijnd.
Stap 3: Het vezeloppervlak behandelen
Na het carbonisatieproces vertonen de vezels een oppervlak dat niet goed hecht met de epoxy's en andere stoffen die in composietmaterialen worden gebruikt. In dit geval wordt het oppervlak van de vezels enigszins geoxideerd om de hechtingseigenschappen te verbeteren. Het introduceren van zuurstofatomen op het oppervlak verbetert de chemische bindingseigenschappen en etst en ruwt bovendien het oppervlak op voor verbeterde mechanische bindingseigenschappen.
De vezels kunnen worden geoxideerd door ze onder te dompelen in verschillende gassen zoals lucht, kooldioxide of ozon, maar ook in vloeistoffen zoals natriumhypochloriet of salpeterzuur. Als alternatief kunnen de vezels elektrolytisch worden bekleed door ze tot de positieve pool te maken in een bad met verschillende elektrisch geleidende stoffen.
Stap 4: Het dimensioneren van de vezels
Na de oppervlaktebehandeling worden beschermende coatings op de vezels aangebracht om schade tijdens het wikkelen of weven te voorkomen. Dit wordt maatvoering genoemd. De selectie van coatingmaterialen is gebaseerd op hun compatibiliteit met de lijm die wordt gebruikt om composietmaterialen te maken. Veelgebruikte coatingmaterialen omvatten een reeks stoffen zoals epoxy, polyester, nylon, urethaan en verschillende andere.
Vervolgens worden de gecoate vezels zorgvuldig opgerold op cilinders die bekend staan als spoelen. De spoelen worden in een spinmachine geplaatst, waar de vezels een twijnproces ondergaan om garens van verschillende afmetingen te vormen.
Korte geschiedenis en achtergrond van koolstofvezel
In 1860 creëerde Joseph Swan voor het eerst met succes koolstofvezels, die vervolgens werden gebruikt bij de productie van gloeilampen. In 1879 paste Thomas Edison een proces toe waarbij katoendraden of bamboereepjes op hoge temperatuur werden gebakken, wat resulteerde in de carbonisatie van deze materialen tot een volledig koolstoffilament. Deze gloeidraad werd vervolgens gebruikt in een van de eerste gloeilampen die ontworpen waren om door elektriciteit te worden verwarmd. In 1880 produceerde Lewis Latimer een betrouwbare koolstofdraadgloeidraad voor de gloeilamp, die werd verwarmd met behulp van elektriciteit.
In 1958 ontwikkelde Roger Bacon hoogwaardige koolstofvezels in het Union Carbide Parma Technical Center buiten Cleveland, Ohio. De productie van dergelijke vezels omvat het aanbrengen van verwarmingsstrengen van rayon totdat ze verkoold raken. De broosheid van koolstofvezel beperkte de toepassing ervan echter lange tijd. Sindsdien is de vervaardiging van koolstofvezel aanzienlijk effectiever geworden. Koolstofvezel heeft een treksterkte van 4.000 MPa en een modulus van 400 GPa. Dit heeft het nut ervan uitgebreid naar een breed scala aan toepassingen.
Eigenschappen van koolstofvezel
Koolstofvezel is voor veel toepassingen lichter en sterker dan metalen. De uitstekende eigenschappen zijn geschikt voor vele structurele, automobiel-, ruimtevaart- en speciale toepassingen. Laten we closer eens naar deze eigenschappen kijken.
Hoge sterkte-gewichtsverhouding
Een van de kenmerken van koolstofvezel is de hoge sterkte-gewichtsverhouding. Koolstofvezel is extreem sterk, stijf en licht. Elk materiaal heeft een hoge sterkte-gewichtsverhouding als het sterk en licht van gewicht is. Materialen met een hoge sterkte-gewichtsverhouding zijn onder meer aluminium, titanium, magnesium, koolstof en glasvezel, en zeer sterke staallegeringen.
Elektrisch geleidend
Koolstofvezelfilamenten zijn elektrisch geleidend, waardoor het materiaal kan worden gebruikt in toepassingen zoals bliksembeveiliging. De geleidbaarheid van koolstofvezels kan echter potentieel de galvanische corrosie in fittingen versnellen. Dit probleem kan worden verminderd door een zorgvuldige installatie.
Corrosiebestendig en chemisch stabiel
Hoewel koolstofvezel bestand is tegen slijtage, is het belangrijk op te merken dat epoxy, een veelgebruikt materiaal in koolstofvezelcomposieten, gevoelig is voor schade door zonlicht en bescherming vereist. Er bestaat een mogelijkheid dat andere matrices waarin de koolstofvezel is ingebed reactief zijn.
Stijf of stijf
De stijfheid of stijfheid van een materiaal kan worden gemeten aan de hand van de Young-modulus, die de mate karakteriseert waarin het materiaal vervorming ondergaat wanneer het wordt blootgesteld aan spanning. Met koolstofvezel versterkt plastic is meer dan 4 keer stijver dan glasvezelversterkt plastic, 20 keer stijver dan grenenhout en 2,5 keer stijver dan aluminium.
Vermoeidheid weerstand
Koolstofvezel vertoont een betere weerstand tegen vermoeidheid en schadetolerantie dan composietmaterialen zoals glasvezel. Schade door trekvermoeiing wordt weergegeven als een afname van de stijfheid bij toenemende spanningscycli. Falen is onmogelijk wanneer cyclische spanningen samenvallen met de vezeloriëntatie.
Treksterkte
De treksterkte verwijst naar de grootste spanning die een materiaal kan verdragen wanneer het wordt uitgerekt of getrokken voordat het insnoert of bezwijkt. Vanwege hun interne gebreken faalt koolstofvezel niet altijd op hetzelfde stressniveau. Maar kleine spanningen zouden ervoor zorgen dat ze falen.
Lage thermische uitzetting
De thermische uitzettingscoëfficiënt van koolstofvezel is zeer laag in vergelijking met metalen. Dit betekent dat onderdelen gemaakt van koolstofvezel minimale maatveranderingen ondergaan als gevolg van temperatuurschommelingen. De lage thermische uitzetting van koolstofvezel maakt het ideaal voor situaties waarin kleine bewegingen vereist zijn.
Niet giftig en röntgendoorlatend
Koolstofvezelcomposietmaterialen zijn niet giftig en laten röntgenstralen erdoorheen. Dit maakt koolstofvezel geschikt voor medische toepassingen, zoals prothesegebruik, implantaten, peesreparatie, röntgenaccessoires, chirurgische instrumenten, etc.
Niet vlambaar
Koolstofvezel kan worden geïntegreerd in beschermende kleding voor brandweerlieden. Een voorbeeld zijn met nikkel beklede vezels. Omdat koolstofvezel chemisch inert is, kan het worden gebruikt in situaties waarbij sprake is van brand en bijtende stoffen.
Bros
Sterke covalente bindingen creëren de lagen in de vezel. De plaatachtige aggregaties vergemakkelijken gemakkelijk de voortplanting van scheuren. Wanneer de vezels buigen, zullen ze bij lage spanning bezwijken.
Soorten koolstofvezel
Op basis van grondstoffen, mechanische eigenschappen en uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur kunnen koolstofvezels in de volgende categorieën worden ingedeeld:
Typen op basis van grondstoffen
Er zijn twee soorten koolstofvezels op basis van grondstoffen.
PAN-gebaseerde koolstofvezel
Op PAN gebaseerde koolstofvezel wordt gemaakt door carbonisatie van de voorloper van PAN (polyacrylonitril). Deze koolstofvezel heeft een hoge treksterkte en elastische modulus. Het wordt veel gebruikt voor composieten van structurele materialen in de lucht- en ruimtevaart, industriële velden en sport-/recreatieproducten.
Op pitch gebaseerde koolstofvezel
Koolstofvezel op basis van pek is een ander type vezel. Deze koolstofvezel wordt gevormd door de carbonisatie van een voorloper van olie/steenkoolpek en bezit vele eigenschappen, variërend van een lage elastische modulus tot een ultrahoge elastische modulus. Vezels met een ultrahoge elastische modulus worden veel gebruikt in componenten met een hoge stijfheid en andere toepassingen die een hoge thermische of elektrische geleidbaarheid vereisen.
Typen gebaseerd op mechanische eigenschappen
Type met ultrahoge elastische modulus (UHM)
Het type met ultrahoge elastische modulus wordt gewoonlijk UHM genoemd. De elastische trekmodulus van dit type is gelijk aan of groter dan 600 GPa. De treksterkte bedraagt 2.500 MPa of hoger. De koolstofvezel met ultrahoge modulus wordt uitsluitend gebruikt in de meest geavanceerde technische toepassingen waarbij extreme stijfheid per gewichtseenheid noodzakelijk is, zoals satellieten, drones en wedstrijdsportapparatuur.
Type met hoge elasticiteitsmodulus (HM)
Het type met hoge elastische modulus, of HM, heeft een elastische trekmodulus variërend van 350 tot 600 GPa. En de treksterkte bedraagt minimaal 2.500 MPa. Het wordt vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector en geavanceerde sportartikelen. Koolstofvezel met hoge elastische modulus maakt de creatie van lichtgewicht componenten mogelijk zonder afbreuk te doen aan de sterkte.
Type tussenliggende elastische modulus (IM)
Bij het type met tussenliggende elastische modulus (IM) ligt het bereik van de elastische trekmodulus tussen 280 en 350 GPa. De treksterkte van dit materiaal is gelijk aan of groter dan 3.500 MPa. Het wordt gebruikt in industrieën die betere prestaties vereisen, zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de productie van sportartikelen.
Standaard type elastische modulus (HT)
Het standaard type elastische modulus, gewoonlijk HT genoemd, wordt hier besproken. Het bereik van de trek-elasticiteitsmodulus ligt tussen 200 en 280 GPa. De treksterkte van het materiaal wordt geschat op minimaal 2.500 MPa of meer. Het is geschikt voor uiteenlopende toepassingen, van auto-onderdelen en sportuitrusting tot windturbines en vliegtuigconstructies.
Type met lage elasticiteitsmodulus (LM)
Het type met lage elastische modulus (LM) heeft een elastische trekmodulus gelijk aan of kleiner dan 200 GPa. De treksterkte van het materiaal is gelijk aan of kleiner dan 3.500 MPa.
Typen gebaseerd op de uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur
Met betrekking tot de uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur worden koolstofvezels gecategoriseerd als:
Koolstofvezels met hoge hittebehandeling (HTT)
Koolstofvezels met hoge warmtebehandeling (HTT) worden gecombineerd met vezels van het type met hoge modulus en vereisen een uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur van meer dan 2000 °C.
Koolstofvezels met tussentijdse warmtebehandeling (IHT)
Koolstofvezels met tussentijdse warmtebehandeling (IHT) worden gekenmerkt door een uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur die doorgaans gelijk is aan of hoger dan 1500 °C. Deze vezels worden vaak geassocieerd met vezels van het hoge sterktetype.
Koolstofvezels met lage warmtebehandeling (LHT)
Koolstofvezels met lage warmtebehandeling (LHT), waarbij de uiteindelijke warmtebehandelingstemperatuur niet hoger is dan 1000 °C. Deze materialen hebben een lage modulus en sterkte.
Soorten koolstofvezelweefsels
Koolstofvezel komt vaak in de vorm van een geweven stof. Koolstofvezelstof heeft verschillende weefsels. Enkele veelgebruikte soorten weefsels zijn twill, satijn en effen.
Gewoon weefsel
Een platgeweven koolstofvezelplaat vertoont een symmetrisch uiterlijk met een klein schaakbordpatroon. In dit weefsel zijn de draden in een over/onder-patroon verweven. De smalle afstand tussen de interliniëringen draagt aanzienlijk bij aan de stabiliteit van het effen weefsel. Stabiliteit van het weefsel verwijst naar het vermogen van een weefsel om zijn weefhoek en vezeloriëntatie te behouden. Vanwege de opmerkelijke stabiliteit is het platweefsel niet optimaal geschikt voor lay-ups met ingewikkelde contouren. Bovendien mist het de soepelheid die veel andere weefsels vertonen. Platgeweven stoffen zijn doorgaans geschikt voor tweedimensionale rondingen, buizen en vlakke platen.
Twill-weefsel
Twillweefsel is soepeler en kan ingewikkelde contouren vormen. Het is superieur aan harnassatijnweefsel wat betreft de stabiliteit van de stof, maar toch niet zo goed als platbinding. Het volgen van een streng in een keperbinding gaat over een bepaald aantal strengen en vervolgens onder hetzelfde aantal. Door het over/onder-patroon toe te passen ontstaat een diagonale pijlpunt, ook wel een “keperlijn” genoemd.
Satijnweefsel
Sinds de oudheid heeft het satijnweefsel zijden stoffen opgeleverd met uitzonderlijke drapeereigenschappen en een naadloos, glad uiterlijk. Dankzij de drapeerbaarheid van composieten kunnen ingewikkelde contouren gemakkelijk worden gevormd en omwikkeld. Deze stof heeft een lage stabiliteit vanwege de hoge vervormbaarheid. De meest gebruikte satijnweefsels in de textielindustrie zijn de 4 harnassatijn (4HS), 5 harnassatijn (5HS) en 8 harnassatijn (8HS). De vervormbaarheid zal toenemen naarmate het aantal satijnbindingen toeneemt, terwijl de stabiliteit van de stof zal afnemen.
Toepassingen van koolstofvezel
De unieke voordelen van koolstofvezel zorgen ervoor dat dit materiaal talloze geavanceerde toepassingen vindt in meerdere industrieën. Hier is een overzicht van de toepassingen en toepassingen van koolstofvezel:
Lucht- en ruimtevaart – Koolstofvezel wordt veel gebruikt in lucht- en ruimtevaarttoepassingen vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding, stijfheid en corrosieweerstand. Belangrijke toepassingen zijn onder meer vliegtuigrompen en -vleugels, helikopterbladen, raketomhulsels en stroomlijnkappen voor ladingen. Het gebruik van koolstofvezel in airplanes kan voor sommige vliegtuigen het gewicht met wel 20% verminderen. Barely Visible Impact Damage (BVID) is een nadeel van het gebruik van koolstofvezel in vliegtuigen. Deze onzichtbare schade kan de veiligheid van een onderdeel beïnvloeden. Het vereist veel training en testen om BVID te detecteren.
Automobiel – Nu de kosten dalen, wordt koolstofvezel steeds vaker gebruikt in luxe- en raceauto’s om het gewicht te verminderen en tegelijkertijd de sterkte en stijfheid te behouden. Toepassingen omvatten carrosseriepanelen, motorkappen, daken, spoilers en structurele componenten. Koolstofvezel kan de brandstofefficiëntie en het rijgedrag helpen verbeteren. Formule 1-raceauto's zijn sterk afhankelijk van koolstofvezel.
Sportuitrusting – Veel high-end fietsen maken nu gebruik van frames en componenten van koolstofvezel om het gewicht te verminderen en de prestaties te verbeteren. Koolstofvezel wordt ook gebruikt voor golfclubschachten, tennisrackets, hockeysticks en andere speciale sportuitrusting. Bovendien zijn veiligheidshelmen, kleding, beschermende uitrusting en koolstofvezelvezels van koolstofvezel voorbeelden van koolstofvezeltoepassingen. Omdat racesporten vaak helmen en schoenen van koolstofvezel gebruiken.
Civiele techniek – Koolstofvezelwapeningsstaven en -kabels kunnen beton versterken en traditionele staalwapening vervangen. Dit vermindert het gewicht van betonconstructies en verhoogt hun treksterkte. Koolstofvezelwikkelingen en laminaten kunnen structurele elementen zoals kolommen en bruggen versterken.
Consumentenelektronica – Koolstofvezel maakt sommige hoogwaardige consumentenelektronica, zoals laptops, telefoons, tablets, statieven en koptelefoons, lichter en duurzamer. Koolstofvezel device-behuizingen en structurele componenten voegen sterkte en warmteafvoer toe aan deze producten. Het materiaal is ook vooral nuttig wanneer elektromagnetische transparantie nodig is.
Medische Device's – De biocompatibiliteit en sterkte van koolstofvezel hebben geleid tot toepassingen zoals orthopedische implantaten, prothetische ledematen en MRI-machines. Met koolstofvezels versterkte polymeren maken de productie van precisieonderdelen zoals botplaten mogelijk. Omdat koolstofvezel transparant lijkt op röntgenfoto's, wordt het gebruikt in verschillende röntgen- en beeldvormende device's. Bovendien zijn prothetische ledematen gemaakt van koolstofvezel sterk, lichtgewicht en comfortabel.
Leger – Koolstofvezel, dat voor het eerst werd gebruikt voor verlichting op marineschepen, wordt nu in alles gebruikt, van raketten en drones tot helmen en tentpalen. De belangrijkste voordelen van koolstofvezel voor het leger zijn de sterkte en het lichte karakter ervan, wat eenvoudiger transport en grotere energiebesparingen mogelijk maakt.
Samenvatting
Koolstofvezel bestaat uit dunne strengen koolstof die stevig met elkaar zijn verbonden om een zeer duurzaam, zeer sterk en uitzonderlijk licht materiaal te vormen. De hoge sterkte-gewichtsverhouding, stijfheid en hittetolerantie maken het een ideale keuze wanneer licht gewicht en hoge sterkte vereist zijn. van cruciaal belang in sectoren als de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de bouw, de sport, de scheepvaart en militaire toepassingen. Koolstofvezelonderdelen kunnen worden vervaardigd in complexe vormen en nauwkeurig op maat gemaakte ontwerpen om de sterkte te optimaliseren. Dit unieke materiaal biedt het cruciale voordeel van een dramatische gewichtsvermindering zonder dat dit ten koste gaat van de duurzaamheid.
Referenties
Koolstofvezels – Van Wikipedia
Type koolstofvezelproducten en hun speciale kenmerken – Van de Japan Carbon Fiber Manufacturers Association (JCMA)
Koolstofvezels: productie, eigenschappen en potentieel gebruik – Van materiaalwetenschappelijk onderzoek India
