Wie stark ist Kohlefaser? | Erfahren Sie, was dieses Element so robust macht

Bei richtiger Synthese kann Kohlefaser 10x so stark sein wie Stahl. Doch wie stark ist Kohlefaser in ihrer Grundform und wie kann man ihre Festigkeit maximieren? Diese und weitere Fragen beantworten wir in diesem Beitrag!

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1. Wie stellt man starke Kohlefaser her?
2. Warum ist Kohlefaser so stark?
3. Brechen Kohlefasern leicht?
4. Ist Kohlefaser stärker als KEVLAR®?
5. Kann man Kohlefaser verbrennen?
6. Kann Kohlefaser rosten?
7. Wie stark ist Kohlefaser-Filament?

Wie stellt man starke Kohlefasern her?

Zuerst wird eine Schicht aus Fasern und anderen Polymeren in einem sauerstofffreien Raum auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt. Da kein Sauerstoff vorhanden ist, kann die Faser nicht brennen, sondern wird so heiß, dass nur noch Kohlenstoffatome übrig sind.

Als nächstes wird der Kohlenstoff stabilisiert und karbonisiert. Dabei wird die feuerfeste Kohle im Freien auf hohe Temperaturen erhitzt, dann in einen mit chemischen Gasen (aber nicht mit Sauerstoff) gefüllten Ofen gegeben und noch weiter gekocht.

Drittens wird das Blech abgekühlt und in verschiedene chemische Gase, einschließlich Sauerstoff, getaucht, um ihm bessere Bindungseigenschaften zu verleihen.

Schließlich wird eine Epoxidharzbeschichtung auf die Folie aufgebracht, um die Fasern bei der Herstellung von Produkten vor Beschädigungen zu schützen. Die Zusammensetzung der Beschichtung variiert je nach den für die Faser verwendeten Ausgangsmaterialien.

Dies ist der Prozess, um eine einzelne Kohlefaserplatte herzustellen, die ein extrem starkes Baumaterial ist, aber dennoch in gewisser Hinsicht zerbrechlich und leicht brechen kann. Weitere Informationen darüber, wie Kohlefaserplatten nahezu unzerbrechlich werden, finden Sie im folgenden Abschnitt über „Brechen Kohlefasern leicht?“

Es ist wichtig zu wissen, dass die Herstellung starker Kohlefasern ein äußerst komplexer Prozess ist, der definitiv nicht zu Hause durchgeführt werden kann.

Sehen Sie sich dieses Video an, um die Kohlefaser zu vergrößern und zu sehen, wie stark und eng die Kohlefaserstränge werden.

Warum ist Kohlefaser so stark?

Kohlefaser gehört aufgrund der kettenförmigen Bindungen ihrer Moleküle zu den stärksten Materialien der Erde. Diese Struktur entsteht bei allen chemischen Reaktionen und extremen Temperaturänderungen, die die Faser während der Herstellung durchläuft.

Die Prozesse binden Tausende von kleinen Strängen zusammen und mischen sie mit einem Epoxid. Diese Stränge bilden eine Kohlefaserschicht, deren Festigkeit durch die genaue Ausrichtung der Stränge und die in der Schicht verwendeten Gewebearten beeinflusst wird.

Eine einzelne Kohlefaserschicht ist normalerweise etwa 0,25 mm dick und überhaupt nicht sehr stark. Tatsächlich ist Kohlefaser bei dieser Dicke sehr leicht zu brechen. Das widerspricht vielleicht dem, was Sie über die Festigkeit von Kohlefasern wissen, aber die Festigkeit wird auch durch das Stapeln mehrerer Schichten unter Verwendung der Ausrichtung und des Gewebes der Fasern erzeugt, die auch als „Layup“ bekannt sind.

Die molekulare Reinheit der Kohlefaser hilft auch dabei, eine fest verbundene Struktur zu entwickeln.

Brechen Kohlefasern leicht?

Die kurze Antwort ist, dass es, wie oben beschrieben, möglich ist. Das Tolle an Kohlefaser ist, dass Sie die Stärke und Richtung der Stärke steuern können. Wenn es zum Beispiel in einer Richtung superstark und in der anderen flexibler sein soll, können Sie dies mit einem bestimmten Stofftyp und Layup tun.

Unidirektionale Blätter

Stellen Sie sich zur Erklärung eine dieser Holzmatten vor, die zur Herstellung von Sushi verwendet werden. Die Matte besteht aus einem Bündel schmaler Holzstäbe, die parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind. Das Ergebnis ist, dass es leicht ist, die Matte zu biegen, wenn Sie sich gegen die Faser biegen. Wenn Sie sich jedoch mit der Maserung biegen, wird sich die Matte überhaupt nicht leicht biegen, da dies bedeuten würde, dass Sie tatsächlich hart genug biegen, um die Holzstäbe zu zerbrechen.

Kohlefaserplatten bestehen aus einer Reihe von parallelen Stäben, ähnlich der Sushi-Matte. Aber in Kohlefaser bestehen die Ruten aus behandelten Fasern und sind viel stärker als Holz. Aus diesem Grund ist es ziemlich schwierig, eine Kohlefaserplatte zu brechen, wenn Sie Druck in die gleiche Richtung wie die Stangen ausüben. Eine in eine Richtung verlaufende Stäbchenplatte ähnelt einer Art Kohlefasergewebe namens „unidirektional“, bei der alle Fasern in dieselbe Richtung verlaufen.

Stellen Sie sich nun vor, Sie kleben zwei Sushi-Matten übereinander, wobei die Holzstangen der unteren Matte in eine Richtung und die Stangen der oberen Matte in die andere Richtung laufen. Jetzt stützen sich die Matten gegenseitig und verhindern, dass sich gegenseitig in die eine oder andere Richtung verbiegen.

Bei unidirektionaler Kohlefaser können Sie beim Stapeln der Materialschichten die Richtung der Festigkeit mit jeder Schicht steuern. Diese Kontrolle der Festigkeitsrichtung ist einer der Vorteile von Kohlefaser. Durch die Verwendung mehrerer Schichten können Sie das Endprodukt so stark machen, wie Sie es für die jeweilige Anwendung benötigen.

Gewebte Laken

Bei gewebten Kohlefaserplatten sind die Filamente wie die Stränge eines Korbes miteinander verwoben, um einen besseren Zusammenhalt zu gewährleisten. Es gibt viele verschiedene Arten von Geweben, die aus verschiedenen Gründen verwendet werden. Es könnte ästhetisch sein oder es könnte einfacher sein, eine bestimmte Art von Material in eine Form zu verarbeiten, und/oder es könnte mehr Festigkeit in mehrere Richtungen aufweisen. Die verwendeten Gewebearten und die Ausrichtung, mit der sie die Festigkeit steuern, sind alle Teil der Entwicklung der Layup-Strategie.

Unabhängig von der Webart wird jedoch eine einzelne Lage gewebter Fasern immer noch ziemlich schwach sein, wenn sie nicht geschichtet sind.

Stapel aus Kohlefaserplatten (entweder gewebt oder unidirektional) mit abwechselnder Ausrichtung sind extrem stark – sogar bis zu 18x stärker als Stahl.

Sehen Sie sich dieses Video an, um zu sehen, wie Kohlefaser so stark ist:

Ist Kohlefaser stärker als KEVLAR®?

Kohlefaser und Aramidfaser (KEVLAR® ist einfach eine Marke von Aramidfasern) sind ungefähr gleich stark, obwohl jede ihre Vor- und Nachteile hat.

Verstehen Sie zunächst, dass beide Materialien aus vielen dünnen Lagen ihrer jeweiligen Stoffe bestehen und nur dann echte Festigkeit erreichen, wenn sie mit mehreren Lagen gewebter Fasern verdickt werden.

Auch wenn viele Lagen miteinander verwoben sind, ist Kohlefaser sehr dünn und leicht. Es ist auch extrem stark, aber es hat Schwierigkeiten, scharfen Gegenständen wie Messern standzuhalten.

KEVLAR® hingegen ist dicker als Kohlefaser und schwerer zu durchdringen. Da es jedoch dicker ist, ist es schwerer und weniger flexibel. Es ist auch viel weniger hitzebeständig als Kohlefaser.

Kann man Kohlefaser verbrennen?

Sie würden es schwer haben, Kohlefaser zu verbrennen.

Wenn Sie es auf 750 Grad erhitzen, brennt es sehr langsam, solange es mit einer brennenden Brennstoffquelle versorgt wird. Aber selbst an diesem Punkt hört die Verbrennung auf, sobald die Brennstoffquelle entfernt wird.

Dieses begrenzte Brennen wird durch das Harz in Kombination mit dem Kohlenstoff in der Faser verursacht, da Kohlenstoff selbst nicht brennt. Der einzige Grund, warum die Faser brennt, ist, dass die Nicht-Kohlenstoff-Komponenten darin brennen.

Es gibt verschiedene Arten von Harz, die verschiedene Arten von Hitze unterstützen können. Ein typisches Epoxidharz ist bis zu etwa 200 Grad Fahrenheit gut, aber ein Hochtemperatur-Harz widersteht normalerweise einer Hitze von bis zu 400 Grad. Überprüfen Sie immer die Spezifikationen des verwendeten Harzes.

Da Kohlefaser so hitzebeständig und dennoch so stark ist, wird sie in vielen technischen Anwendungen wie der Verkleidung in Motoren verwendet.

Kann Kohlefaser rosten?

Nein. Die engen Verbindungen in der Kohlefaser sind aufgrund der komplexen chemischen Prozesse bei der Herstellung immun gegen Oxidation. Die Epoxidharze, die verwendet werden, um die Kohlefaser vor Beschädigungen zu schützen, sind inert, was bedeutet, dass sie vor Rost und anderen Korrosionsarten sicher sind.

Wie stark ist Kohlefaserfilament?

Ein Kohlefaserfilament ist die einzelne Saite, die auf einem Kohlefasergewebe verwendet wird. Diese Stränge werden normalerweise mit einem Harz verbunden, dem RP in CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff). Durch die Kombination des verwendeten Materials mit der genauen chemischen Zusammensetzung der Kohlefaser können Ingenieure etwas noch Haltbareres, Stärkeres und Leichteres als ihre Teile schaffen.

In einem Gewebe hat jeder Kohlefaserstrang normalerweise zwischen 1.000 und 12.000 einzelne Filamente, was weniger als die Breite eines menschlichen Haares ist.

Wie stark ist Kohlefaser? Sagen wir es einfach so:Es gibt nicht viele Materialien auf der Welt, die stärker sind als Kohlefaser – insbesondere nicht im Handel erhältliche.

Möchten Sie die Stärke von Kohlefaser in Aktion sehen? Schau dir dieses Video an!

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