Kohlenstoff-Faser, wechselweise Grafit-Faser, Kohlenstoff-Grafit oder VGL, ist ein Material, das aus Fasern ungefähr 5-10 μm im Durchmesser und zusammengesetzt größtenteils aus Kohlenstoff-Atomen besteht. Die Kohlenstoff-Atome werden in Kristallen zusammengebunden, die mehr oder weniger Parallele zur langen Achse der Faser ausgerichtet werden. Die Kristallanordnung gibt der Faser hohes Verhältnis der Kraft-zu-bändig (macht es stark für seine Größe). Mehrere tausend Kohlenstoff-Fasern sind zusammengeschlossener im Bündel, um ein Schleppen zu bilden, das allein verwendet oder in einen Stoff gewebt werden kann.

Die Eigenschaften von Kohlenstoff-Fasern, wie hohe Steifkeit, hohe Zugbelastung, niedriges Gewicht, hoch chemischer Widerstand, hohe Temperaturtoleranz und niedrige Thermalvergrößerung, machen sie sehr populär in Weltraum, Hoch- und Tiefbau, Militär und motorsports zusammen mit anderen Konkurrenz-Sportarten. Jedoch sind sie wenn im Vergleich zu ähnlichen Fasern, wie Glasfasern oder Plastikfasern relativ teuer.

Kohlenstoff-Fasern werden gewöhnlich mit anderen Materialien verbunden, um eine Zusammensetzung zu bilden. Wenn verbunden, mit einem Plastikharz und Wunde oder geformt formt es sich Kohlenstoff-Faser hat Plastik verstärkt (häufig gekennzeichnet als Kohlenstoff-Faser), der ein sehr hohes Verhältnis der Kraft zum Gewicht hat, und obwohl etwas spröde, äußerst starr ist. Jedoch werden Kohlenstoff-Fasern auch mit anderen Materialien, solcher als mit dem Grafit zusammengesetzt, um Zusammensetzungen des Kohlenstoff-Kohlenstoff zu bilden, die eine sehr hohe Hitzetoleranz haben.

Geschichte der Kohlenstoff-Faser

1958 hat Roger Bacon Hochleistungskohlenstoff-Fasern am Vereinigungskarbid Parma Technisches Zentrum, jetzt GrafTech International Holdings, Inc., gelegen außerhalb Clevelands, Ohio geschaffen. Jene Fasern wurden durch die Heizung von Ufern der Kunstseide bis sie carbonized verfertigt. Dieser Prozess hat sich erwiesen, ineffizient zu sein, weil die resultierenden Fasern nur ungefähr 20 % Kohlenstoff enthalten haben und niedrige Kraft und Steifkeitseigenschaften hatten. Am Anfang der 1960er Jahre wurde ein Prozess von Dr Akio Shindo an der Agentur von der Industriewissenschaft und Technologie Japans, mit Polyacrylnitril (PFANNE) als ein Rohstoff entwickelt. Das hatte eine Kohlenstoff-Faser erzeugt, die ungefähr 55 % Kohlenstoff enthalten hat.

Die hohe potenzielle Kraft der Kohlenstoff-Faser wurde 1963 in einem Prozess begriffen, der von W. Watt, L. N. Phillips und W. Johnson bei der Königlichen Flugzeugserrichtung an Farnborough, Hampshire entwickelt ist. Der Prozess wurde vom Verteidigungsministerium des Vereinigten Königreichs patentiert, das dann von National Research Development Corporation (NRDC) von drei britischen Gesellschaften lizenziert ist: Rolls-Royce, bereits Kohlenstoff-Faser, Morganite und Courtaulds machend. Sie sind im Stande gewesen, Industriekohlenstoff-Faser-Produktionsmöglichkeiten innerhalb von ein paar Jahren zu gründen, und Rolls-Royce hat die Eigenschaften des neuen Materials ausgenutzt, in den amerikanischen Markt mit seinem RB-211 Flugmotor einzubrechen.

Öffentliche Sorge ist über die Fähigkeit der britischen Industrie entstanden, den besten von diesem Durchbruch zu machen. 1969 hat ein Unterhaus ausgesuchte Komitee-Untersuchung in die Kohlenstoff-Faser prophetisch gefragt: "Wie dann soll die Nation den maximalen Vorteil ohne es ernten, noch eine andere britische erfolgreicher in Übersee auszunutzende Erfindung werdend?" Schließlich wurde diese Sorge gerechtfertigt. Eins nach dem anderen haben die Lizenznehmer aus Fertigung der Kohlenstoff-Faser ausgestiegen. Das Interesse des Rolls-Royce war in den modernsten Flugmotor-Anwendungen. Sein eigener Produktionsprozess sollte ermöglichen es, um Führer im Gebrauch der Kohlenstoff-Faser zu sein, hat Plastik verstärkt. Innerbetriebliche Produktion würde normalerweise aufhören, sobald zuverlässige kommerzielle Quellen verfügbar geworden sind.

Leider hat Rolls-Royce das modernste zu weite, zu schnell, im Verwenden der Kohlenstoff-Faser in den Kompressor-Klingen des Motors gestoßen, die sich verwundbar erwiesen haben, um vom Vogel-Einfluss zu beschädigen. Was geschienen ist, dass ein großer britischer technologischer Triumph 1968 schnell eine Katastrophe geworden ist, weil die ehrgeizige Liste des Rolls-Royce für den RB-211 gefährdet wurde. Tatsächlich sind die Probleme des Rolls-Royce so groß geworden, dass die Gesellschaft schließlich von der britischen Regierung 1971 eingebürgert wurde und die Produktionsstätte der Kohlenstoff-Faser ausverkauft wurde, um "Bristoler Zusammensetzungen" zu bilden.

In Anbetracht des beschränkten Marktes für ein sehr teures Produkt der variablen Qualität hat Morganite auch entschieden, dass Produktion der Kohlenstoff-Faser zu seinem Hauptgeschäftsbereich peripherisch war, Courtaulds als der einzige große Hersteller des Vereinigten Königreichs verlassend.

Die Gesellschaft hat fortgesetzt, Kohlenstoff-Faser zu machen, zwei Hauptmärkte entwickelnd: Weltraum und Sportausrüstung. Die Geschwindigkeit der Produktion und die Qualität des Produktes wurden verbessert.

Die ständige Kollaboration mit dem Personal an Farnborough hat sich nützlich auf der Suche nach der höheren Qualität erwiesen, aber, ironisch, der große Vorteil von Courtaulds weil ist der Hersteller des "Courtelle" Vorgängers jetzt eine Schwäche geworden. Niedrig waren Kosten und bereite Verfügbarkeit potenzielle Vorteile, aber der wasserbasierte anorganische Prozess, der verwendet ist, um Courtelle zu erzeugen, hat es empfindlich gegen Unreinheiten gemacht, die den organischen von anderen Herstellern der Kohlenstoff-Faser verwendeten Prozess nicht betroffen haben.

Dennoch während der 1980er Jahre hat Courtaulds fortgesetzt, ein Hauptlieferant der Kohlenstoff-Faser für den Sportware-Markt, mit Mitsubishi sein Hauptkunde zu sein. Aber eine Bewegung, um sich, einschließlich des Gebäudes einer Produktionsstätte in Kalifornien auszubreiten, hat sich schlecht erwiesen. Die Investition hat den vorausgesehenen Umsatz nicht erzeugt, zu einer Entscheidung führend, aus dem Gebiet auszusteigen. Courtaulds hat Produktion der Kohlenstoff-Faser 1991 aufgehört, obwohl ironisch ein Überleben Hersteller der Kohlenstoff-Faser des Vereinigten Königreichs fortgesetzt hat zu gedeihen, auf dem Vorgänger von Courtaulds gestützte Faser machend. Mit Sitz in Inverness RK Carbon Fibres Ltd hat sich auf das Produzieren der Kohlenstoff-Faser für Industrieanwendungen konzentriert, und braucht sich so an den von überseeischen Herstellern erreichten Qualitätsniveaus nicht zu bewerben.

Während der 1970er Jahre hat experimentelle Arbeit, um alternative Rohstoffe zu finden, zur Einführung von von einem Erdölwurf gemachten Kohlenstoff-Fasern geführt ist auf Ölverarbeitung zurückzuführen gewesen. Diese Fasern haben ungefähr 85 % Kohlenstoff enthalten und hatten ausgezeichnete flexural Kraft.

Struktur und Eigenschaften

Jeder Kohlenstoff-Glühfaden-Faden ist ein Bündel von vielen tausend Kohlenstoff-Glühfäden. Eine Single ist solcher Glühfaden eine dünne Tube mit einem Diameter von 5-8 Mikrometern und besteht fast exklusiv aus Kohlenstoff. Die frühste Generation von Kohlenstoff-Fasern (z.B. T300 und AS4) hatte Diameter von 7-8 Mikrometern. Spätere Fasern (z.B. IM6) haben Diameter, die etwa 5 Mikrometer sind.

Der Atombau der Kohlenstoff-Faser ist diesem des Grafits ähnlich, aus Platten von Kohlenstoff-Atomen (graphene Platten) eingeordnet in einem regelmäßigen sechseckigen Muster bestehend. Der Unterschied liegt in der Weise, wie diese Platten ineinander greifen. Grafit ist ein kristallenes Material, in dem die Platten Parallele zu einander auf die regelmäßige Mode aufgeschobert werden. Die zwischenmolekularen Kräfte zwischen den Platten sind relativ schwache Kräfte von Van der Waals, Grafit seine weichen und spröden Eigenschaften gebend. Abhängig von Vorgänger, um die Faser zu machen, kann Kohlenstoff-Faser turbostratic oder graphitic sein, oder eine hybride Struktur sowohl mit graphitic als auch mit turbostratic Teil-Gegenwart haben. In der turbostratic Kohlenstoff-Faser werden die Platten von Kohlenstoff-Atomen willkürlich gefaltet, oder zusammen zerknittert. Kohlenstoff-Fasern sind auf Polyacrylnitril (PFANNE) zurückzuführen gewesen sind turbostratic, wohingegen Kohlenstoff-Fasern auf Mesophase-Wurf zurückzuführen gewesen sind, sind graphitic nach der Wärmebehandlung bei Temperaturen, die 2200 C überschreiten. Kohlenstoff-Fasern von Turbostratic neigen dazu, hohe Zugbelastung zu haben, wohingegen hitzebehandelte mesophase-pitch-derived Kohlenstoff-Fasern das Modul des hohen Youngs (d. h., hohe Steifkeit oder Widerstand gegen die Erweiterung unter der Last) und hohes Thermalleitvermögen haben.

Anwendungen

Kohlenstoff-Faser wird am meisten namentlich verwendet, um zerlegbare Materialien zu verstärken, besonders die Klasse von Materialien, die als Kohlenstoff-Faser oder Grafit bekannt sind, hat Polymer verstärkt. Nichtpolymer-Materialien können auch als die Matrix für Kohlenstoff-Fasern verwendet werden. Wegen der Bildung von Metallkarbiden und Korrosionsrücksichten hat Kohlenstoff beschränkten Erfolg in zerlegbaren Metallmatrixanwendungen gesehen. Verstärkter Kohlenstoff-Kohlenstoff (RCC) besteht aus Kohlenstoff faserverstärkter Grafit, und wird strukturell in Hoch-Temperaturanwendungen verwendet. Die Faser findet auch Gebrauch im Filtrieren von Hoch-Temperaturbenzin, als eine Elektrode mit der hohen Fläche und dem tadellosen Korrosionswiderstand, und als ein antistatischer Bestandteil. Die Zierleiste einer dünnen Schicht von Kohlenstoff-Fasern verbessert bedeutsam Feuerwiderstand von Polymern oder thermoset Zusammensetzungen, weil eine dichte, kompakte Schicht von Kohlenstoff-Fasern effizient Hitze widerspiegelt.

Die globale Nachfrage auf Kohlenstoff-Faser-Zusammensetzungen wurde auf ungefähr US$ 10.8 Milliarden 2009 geschätzt, die sich um 8-10 % vom vorherigen Jahr geneigt haben. Wie man erwartet, erreicht es US$ 13.2 Milliarden vor 2012 und nimmt zu US$ 18.6 Milliarden vor 2015 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 7 % oder mehr zu. Stärkste Anforderungen kommen aus dem Flugzeug & dem Weltraum, der Windkraft, sowie der Automobilindustrie.

Synthese

Jeder Kohlenstoff-Glühfaden wird von einem Vorgänger-Polymer erzeugt. Das Vorgänger-Polymer ist allgemein Kunstseide, Polyacrylnitril (PFANNE) oder Erdölwurf. Für synthetische Polymer wie Kunstseide oder PFANNE wird der Vorgänger zuerst in Glühfäden mit chemischen und mechanischen Prozessen gesponnen, um die Polymer-Atome in einer Weise am Anfang auszurichten, die endgültigen physikalischen Eigenschaften der vollendeten Kohlenstoff-Faser zu erhöhen. Vorgänger-Zusammensetzungen und mechanische während des Drehens verwendete Prozesse können sich unter Herstellern ändern. Nach der Zeichnung oder dem Drehen werden die Polymer-Fasern dann geheizt, um Nichtkohlenstoff-Atome (Karbonisieren) zu vertreiben, die Endkohlenstoff-Faser erzeugend. Die Kohlenstoff-Fasern können weiter behandelt werden, um behandelnde Qualitäten zu verbessern, dann auf Spulen verwunden. Wunde-Spulen werden dann verwendet, um Maschinen zu liefern, die Kohlenstoff-Faser-Fäden oder Garn erzeugen.

1) Polymerization von Acrylnitril zur PFANNE

2) Cyclization während des niedrigen Temperaturprozesses

3) Hohe Temperatur oxidative Behandlung des Karbonisierens (wird Wasserstoff entfernt)

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danach fängt der Prozess von graphitization an, wohin Stickstoff entfernt wird und Ketten in Grafit-Flugzeuge angeschlossen werden

Eine übliche Methodik der Fertigung schließt Heizung der gesponnenen PAN-Glühfäden zu etwa 300 °C in Luft ein, die viele der Wasserstoffobligationen bricht und das Material oxidiert. Die oxidierte PFANNE wird dann in einen Brennofen gelegt, der eine träge Atmosphäre eines Benzins wie Argon hat, und zu etwa 2000 °C geheizt, der graphitization des Materials veranlasst, die molekulare Band-Struktur ändernd. Wenn geheizt, in den richtigen Bedingungen verpfänden diese Ketten Seite-zu-Seite (Leiter-Polymer), schmale graphene Platten bildend, die sich schließlich verschmelzen, um einen einzelnen, säulenartigen Glühfaden zu bilden. Das Ergebnis ist gewöhnlich 93-95 % Kohlenstoff. Faser der niedrigeren Qualität kann mit dem Wurf oder der Kunstseide als der Vorgänger statt der PFANNE verfertigt werden. Der Kohlenstoff kann weiter erhöht, als hohes Modul oder hoher Kraft-Kohlenstoff durch Wärmebehandlungsprozesse werden. Kohlenstoff, der im Rahmen 1500-2000 °C (Karbonisieren) geheizt ist, stellt die höchste Zugbelastung aus (820,000 psi, 5,650 MPa oder N/mm ²), während Kohlenstoff-Faser, die von 2500 bis 3000 °C (graphitizing) geheizt ist, ein höheres Modul der Elastizität (77,000,000 psi oder 531 GPa oder 531 kN/mm ²) ausstellt.

Gewebe

Vorgänger für Kohlenstoff-Fasern sind Polyacrylnitril (PFANNE), Kunstseide und Wurf. Kohlenstoff-Faser-Glühfaden-Garne werden in mehreren in einer Prozession gehenden Techniken verwendet: Der direkte Gebrauch ist für prepregging, das Glühfaden-Winden, pultrusion, das Weben, die Litzen, usw. wird Kohlenstoff-Faser-Garn durch die geradlinige Dichte (Gewicht pro Einheitslänge, d. h. 1 g/1000 M = 1 tex) oder durch die Zahl von Glühfäden pro Garn-Zählung in Tausenden abgeschätzt. Zum Beispiel, 200 tex für 3,000 Glühfäden der Kohlenstoff-Faser ist dreimal so stark wie 1,000 Kohlenstoff-Fasern, aber ist auch dreimal so schwer. Dieser Faden kann dann verwendet werden, um einen Kohlenstoff-Faser-Glühfaden-Stoff oder Stoff zu weben. Das Äußere dieses Stoffs hängt allgemein von der geradlinigen Dichte des Garns und des gewählten Webens ab. Einige allgemein verwendete Typen dessen weben sind Köper, Satin und Ebene. Kohlenstoff-Fasern können auch gestrickt oder geflochten werden.

Siehe auch

• Kohlenstoff-Faser hat Polymer verstärkt
• Kohlenstoff-Faser hat keramisches Material verstärkt
• Kohlenstoff nanotube

Links

• Das Bilden der Kohlenstoff-Faser
• Wie Kohlenstoff-Faser gemacht wird
• Kohlenstoff-Fasern - der Artikel First Five Years A 1971 Flight über die Kohlenstoff-Faser im Flugfeld