Kohlefaserproduktion und Kohlefaserteile:Was sind die Grundlagen?

Hersteller wünschen sich hochfeste und leichte Produkte. Elite-Unternehmen nutzen Carbonfasern und ihr einfaches Verfahren.

Ist es an der Zeit, Kohlefaserteile in Ihrer Fertigung zu berücksichtigen?

Die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Medizintechnik verlagern Teile auf die Kohlefaserproduktion. Um mehr über den Prozess zu erfahren und wie er für Ihr Produkt funktionieren kann, lesen Sie weiter.

3 Teile der Kohlefaserproduktion

Der erste Teil ist der Pre-Preg-Prozess, bei dem Kohlefaserplatten hergestellt werden. Kohlefasern werden zu einheitlichen Strängen verwoben. Dann zusammen erhitzt, um vorimprägnierte Platten zu erhalten.

Danach folgt die Fertigung. Rohstoffe wie Epoxidharz bilden einen vorgefertigten Verbund. Dies beinhaltet das Mischen und Auftragen von unidirektional härtenden Harzen.

Das Produkt ist fertig, sobald es unter Hochtemperaturpolymerisation ausgehärtet ist.

Der letzte Prozess ist die Post-Preg-Verarbeitung. Daher muss dem vorgefertigten Komposit mehr Harz hinzugefügt und ausgehärtet werden.

Die benutzerdefinierten Kohlefaserteile sind leicht. Sie sind stark genug, um Nutzlasten von 600 Pfund pro Quadratzoll ohne Ausfall zu widerstehen. Weitere Vorteile der Verwendung von Kohlefasern sind:

• Hohe Zugfestigkeit im Vergleich zum Gewichtsverhältnis
• Hohe Dauerfestigkeit
• Eine geringe Wärmeausdehnungsrate
• Verbessertes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht

Klassifizierung von Kohlefasern

Der Zugmodul misst, wie viel Zugkraft eine Faser mit einem bestimmten Durchmesser ausüben kann, ohne zu brechen. Die Einheit für den Zugmodul ist psi. Die stärkste Kohlefaser ist etwa fünfmal stärker als Stahl.

Graphitfasern sind ultrahochmodulare Fasern, die aus Erdöl hergestellt werden. Daher haben diese Fasern eine innere Struktur wie ein dreidimensionaler Kristall.

Die Kunststoffe werden zu langen Strängen geformt. Sie werden auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, ohne dass sie mit Sauerstoff in Berührung kommen. Die Fasern können ohne Sauerstoff nicht brennen.

Stattdessen führt die hohe Temperatur dazu, dass die Atome in der Faser zittern. Daher verdrängen die meisten Nicht-Kohlenstoffatome.

Der Herstellungsprozess

Kohlefaserteile werden aus Polyacrylnitril oder Kunstseide und manchmal Erdöl hergestellt. Sie bestehen aus einer proprietären Mischung langer Molekülketten, die aus Kohlenstoffatomen stammen.

Hier sind zum Beispiel die Hauptphasen des Prozesses.

Faserspinnen

• Acrylnitril-Kunststoff vermischt sich mit einer anderen Art von Kunststoff, um Polyacrylnitril herzustellen. Dies geschieht in einem Prozess, der als Suspensions- oder Lösungspolymerisation bezeichnet wird.
• Der Kunststoff verwandelt sich in Fasern. Chemikalien pumpen die Fasern in ein chemisches Bad, um feste Fasern zu werden. Oder mischen Sie Plastik und erhitzte Chemikalien, bis sie verdampfen.
• Nach dem Waschen und Dehnen werden die Fasern dünner. Moleküle richten sich aus, erhitzen sich und werden stark.

Stabilisierung

• Die Herstellung karbonisierter Fasern erfordert chemische Veränderungen. Fasern erhitzen sich in der Luft für 30-120 Minuten auf etwa 390-590°F (200-300°C). Die Fasern nehmen Sauerstoff aus der Luft auf und ihr Bindungsmuster ändert sich.
• Der Stabilisierungsprozess kann eine Vielzahl von Techniken verwenden. In einigen Fällen ziehen Fasern durch beheizte Kammern. Oder die Fasern laufen über heiße Walzen und durch Materialien, die von heißer Luft in Schwebe gehalten werden. Folglich verwenden einige erhitzte Luft gemischt mit Chemikalien, um die Stabilisierung zu beschleunigen.

Karbonisierung

• Dann erhitzen sich stabile Fasern auf 1,830–5,500°F. Dies geschieht für einige Minuten in einem Ofen, der keinen Sauerstoff zum Verbrennen der Fasern hat.
• Dann verlieren erhitzte Fasern Atome. Dazu gehören Wasserdampf, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Dadurch bilden die verbleibenden Atome feste, gebundene Kohlenstoffkristalle. Sie richten sich parallel zur Längsachse der Faser aus.

Oxidation der Oberfläche

• Nach dem Karbonisieren oxidiert die Oberfläche der Fasern und bereitet so bessere Bindungen vor.
• Die Oxidation erfordert das Eintauchen der Fasern in Luft, Kohlendioxid oder Ozon. Andererseits umfassen andere Lösungen Natriumhypochlorit und Salpetersäure. Ein elektrolytischer Prozess beschichtet die Fasern.

Faserdimensionierung

• Nach der Oxidation werden die Fasern zum Schutz während des Webens beschichtet. Die Schlichtematerialien arbeiten mit dem Klebstoff, um Verbundmaterialien zu bilden. Beschichtungsmaterialien umfassen beispielsweise Epoxid, Polyester, Nylon und Urethan.
• Auf Spulen gewickelt, verdrehen sich die Fasern zu Garnen unterschiedlicher Größe.

Kohlenstofffaser-Produktionsausrüstung

Nur wenige Unternehmen steigen in die Kohlefaserproduktion oder deren Ausrüstung ein. Zur Verdeutlichung ziehen sie es vor, ihre Kohlefaserprodukte an erfahrene Unternehmen wie SMI Composites auszulagern.

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