Carbonfaser ist ein Textil, das hauptsächlich aus Carbon besteht. Es wird hergestellt, indem verschiedene kohlenstoffbasierte Polymere zu Fasern gesponnen, diese behandelt werden, um die meisten anderen Substanzen zu entfernen, und das resultierende Material zu einem Gewebe verwebt wird. Dies wird normalerweise in Kunststoff – typischerweise Epoxid – eingebettet, um kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder Kohlefaserverbundstoff zu bilden. Die bemerkenswertesten Eigenschaften des Materials sind sein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und seine relative chemische Inertheit. Diese Eigenschaften verleihen ihm ein breites Anwendungsspektrum, aber seine Verwendung wird durch die Tatsache begrenzt, dass es ziemlich teuer ist.
Herstellung
Die Herstellung dieses Materials basiert in der Regel entweder auf Polyacrylnitril (PAN), einem Kunststoff, der in synthetischen Textilien für Bekleidung verwendet wird, oder auf Pech, einer teerähnlichen Substanz aus Erdöl. Pech wird zuerst zu Strängen gesponnen, PAN liegt jedoch normalerweise zunächst in faseriger Form vor. Sie werden durch starkes Erhitzen in Kohlefaser umgewandelt, um andere Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff zu entfernen; Dieser Vorgang wird als Pyrolyse bezeichnet. Das Strecken der Fasern während dieses Vorgangs hilft, Unregelmäßigkeiten zu beseitigen, die das Endprodukt schwächen könnten.
Die Rohfasern werden zunächst an Luft und unter Spannung auf etwa 590 °F (300 °C) erhitzt, in einer als Oxidation oder Stabilisierung bekannten Stufe. Dadurch wird den Molekülen Wasserstoff entzogen und die Fasern in eine mechanisch stabilere Form überführt. Sie werden dann in einer als Karbonisierung bekannten Stufe in Abwesenheit von Sauerstoff auf etwa 1,830 ° F (1,000° C) erhitzt. Dadurch wird weiteres Nicht-Kohlenstoff-Material entfernt, wobei hauptsächlich Kohlenstoff zurückbleibt.
Wenn hochwertige, hochfeste Fasern benötigt werden, erfolgt eine weitere Stufe, die sogenannte Graphitisierung. Das Material wird auf zwischen 1,732 und 5,500 °F (1,500 bis 3,000 °C) erhitzt, um die Bildung der Kohlenstoffatome in eine graphitartige Struktur umzuwandeln. Dadurch wird auch der Großteil der restlichen Nicht-Kohlenstoffatome entfernt. Der Begriff „Carbonfaser“ wird für Materialien mit einem Kohlenstoffanteil von mindestens 90 % verwendet. Bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 99% wird das Material manchmal als Graphitfaser bezeichnet.
Die entstehende Rohkohlefaser verbindet sich nicht gut mit den zur Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendeten Stoffen und wird daher durch Behandlung mit geeigneten Chemikalien leicht oxidiert. Die der Struktur hinzugefügten Sauerstoffatome ermöglichen es ihr, Bindungen mit Kunststoffen, wie beispielsweise Epoxid, einzugehen. Nach einer dünnen Schutzbeschichtung wird es zu Garnen in den gewünschten Abmessungen verwebt. Diese wiederum können zu Stoffen gewebt werden, die dann meist in Verbundmaterialien eingearbeitet werden.
Struktur und Eigenschaften
Eine einzelne Faser hat einen Durchmesser von etwa 0.0002 bis 0.0004 Zoll (0.005 bis 0.010 mm); Garn besteht aus vielen Tausend dieser Stränge, die zu einem extrem starken Material verwoben sind. Innerhalb jedes Strangs sind die Kohlenstoffatome ähnlich wie bei Graphit angeordnet: sechseckige Ringe, die zu Platten zusammengefügt sind. In Graphit sind diese Platten flach und nur lose miteinander verbunden, sodass sie leicht auseinandergleiten. Bei einer Kohlefaser werden die Blätter gefaltet und zerknittert und bilden viele winzige, ineinandergreifende Kristalle, die als Kristallite bekannt sind. Je höher die bei der Herstellung angewandte Temperatur, desto mehr orientieren sich diese Kristallite entlang der Faserachse und desto größer ist die Festigkeit.
Innerhalb eines Verbundmaterials ist auch die Orientierung der Fasern selbst wichtig. Abhängig davon kann das Material in eine bestimmte Richtung stärker oder in alle Richtungen gleich stark sein. In manchen Fällen kann ein kleines Stück einem Aufprall von vielen Tonnen standhalten und sich dennoch minimal verformen. Die komplexe verwobene Natur der Faser macht es sehr schwierig, sie zu brechen.
In Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist Kohlefaser-Verbundwerkstoff das beste Material, das die Zivilisation in nennenswerten Mengen herstellen kann. Die stärksten sind etwa fünfmal stärker als Stahl und erheblich leichter. Es wird derzeit an der Möglichkeit geforscht, Kohlenstoff-Nanoröhrchen in das Material einzubringen, wodurch das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis um das Zehnfache oder mehr verbessert werden kann.
Weitere nützliche Eigenschaften sind seine hohe Temperaturbeständigkeit und seine Trägheit. Die Molekularstruktur ist wie Graphit sehr stabil, was ihm einen hohen Schmelzpunkt verleiht und eine chemische Reaktion mit anderen Stoffen unwahrscheinlicher macht. Es ist daher nützlich für Bauteile, die Hitze ausgesetzt sein können und für Anwendungen, die Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Verwendung
Kohlefaser wird in vielen Bereichen verwendet, in denen eine Kombination aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht erforderlich ist. Dazu gehören öffentliche und private Verkehrsmittel wie Autos, Flugzeuge und Raumfahrzeuge; Sportgeräte wie Rennräder, Skier und Angelruten; und Bau. Aufgrund seiner relativen Trägheit eignet sich das Material gut für Anwendungen in der chemischen Industrie und in der Medizin – es kann in Implantaten verwendet werden, da es nicht mit Stoffen im Körper reagiert. Im Tiefbau hat man festgestellt, dass alte Brücken durch einfache, vergleichsweise kostengünstigere Kohlefaserverstärkungen vor Zerstörung und Wiederaufbau bewahrt werden können.
Wirtschaftskunde
Ab 2013 waren die Verwendung und die Nachfrage nach Kohlefaser durch ihre Kosten begrenzt. Ein Fahrrad aus Verbundwerkstoff kostet in der Regel einige tausend US-Dollar (USD). Formel-200-Rennwagen, die mit Geschwindigkeiten über 320 km/h fahren, können über 1 Million US-Dollar für den Bau und die Wartung kosten, ein Kostenfaktor, der nicht zuletzt durch die großzügige Verwendung dieses Materials bestimmt wird. Die Nachfrage ist jedoch deutlich gestiegen, vor allem aufgrund der Produktionssteigerung von großen Verkehrsflugzeugen. Wenn die Kosten erheblich gesenkt werden können, kann es zu einem universellen Material für Fahrzeuge und kleine Produkte werden, das auf extreme Haltbarkeit und Leichtigkeit ausgelegt ist.