Углеродное волокно
Углеродные волокна - в просторечии также сокращенно углеродные волокна или (в переводе с английского слова « углеродные волокна» ) называемые углеродом или углеродными волокнами - представляют собой промышленно производимые волокна из углеродсодержащего сырья, которые превращаются в графитоподобный упорядоченный углерод посредством адаптированных химических реакций. к сырью . Различают изотропные и анизотропные типы: изотропные волокна имеют только низкую прочность и меньшее техническое значение, анизотропные волокна демонстрируют высокую прочность и жесткость с одновременно низким удлинением при разрыве в осевом направлении.
Наиболее важным свойством углеродных волокон как компонента жесткости для легких конструкций является модуль упругости ; модуль упругости лучших волокон близок к теоретическому модулю упругости графита в a-направлении .
Углерода волокно или нить имеет диаметр около 5-9 микрометров . Обычно от 1000 до 24000 нитей объединяются в мультифиламентную пряжу ( ровинг ), которая наматывается. Дальнейшая переработка в текстильные полуфабрикаты такие. B. Ткани , тесьма или многоосные ткани производятся на ткацких станках , плетильных машинах или многоосных вязальных машинах или, в области производства армированных волокном пластмасс, непосредственно на заводах по производству препрега , пултрузионных станках или намоточных машинах.
В качестве короткорезанных волокон их можно добавлять в полимеры и перерабатывать в пластмассовые компоненты с помощью экструдеров и систем литья под давлением . В дополнение к этим типам с низким содержанием филаментов существуют также так называемые типы HT с количеством отдельных волокон от 120 000 до 400 000, которые в основном перерабатываются в волокна короткой резки, а также в текстильные ткани. Также можно комбинировать такие тяжелые буксиры с подбуксировщиками, например Б. в виде семи раз по 60 000 отдельных нитей.
Волокна в основном используются для производства пластика, армированного углеродным волокном (CFRP = C, армированный волокном пластик). Также используется английская аббревиатура CFRP (американский английский пластик, армированный углеродным волокном ).
характеристики
| Типичные свойства углеродных волокон HT | |
|---|---|
| плотность | 1,8 г / см³ |
| Диаметр нити | 6 мкм |
| прочность на разрыв | 3530 МПа (Н / мм²) |
| Модуль упругости | 230 ГПа |
| Относительное удлинение при разрыве | 1,5% |
| Типичные свойства углеродных волокон UMS | |
|---|---|
| плотность | 1,8 г / см³ |
| Диаметр нити | 6 мкм |
| прочность на разрыв | 4560 МПа (Н / мм²) |
| Модуль упругости | 395 ГПа |
| Относительное удлинение при разрыве | 1,1% |
| Электроотрицательность (EN) χ | 2,50 |
Углеродные волокна являются электрически и термически очень проводящими, то электроотрицательность Е.Н. имеет очень высокое значение 2,50. Разница с железом (EN = 1,64) очень высока и составляет 0,86, что уже вызывает значительную коррозию в присутствии электролита. Для сравнения, разница в материале, сочетающем железо и алюминий (EN = 1,47), составляет всего 0,17. Углеродные волокна также имеют отрицательный коэффициент теплового расширения в продольном направлении при более низких температурах . Поэтому при нагревании они изначально становятся короче и толще.
Два упомянутых выше свойства обуславливают необходимость изолировать компоненты на основе углеродного волокна как механически, так и электрически от других металлических компонентов, если во время использования колебания температуры и контакт с наружным воздухом, водой и, в частности, с морской водой и другими электролитами (для пример талой воды с дорожной солью в дорожном движении). Скорость электрокоррозии железа, которое находится в прямом контакте с углеродными волокнами, высока при подходящем электролите.
- Удельная теплоемкость : 710 Дж / ( кг · К )
- Теплопроводность : 17 Вт / (м · К )
- Коэффициент теплового расширения : −0,1 · 10 −6 / K
- Удельное электрическое сопротивление : 1,6 · 10 −5 Ом · м (= 16 Ом · мм 2 / м).
Типы углеродного волокна:
- HT - высокая прочность ( высокая прочность )
- UHT - очень высокая прочность ( сверхвысокая прочность )
- LM - Низкий модуль упругости
- IM - промежуточный ( промежуточный модуль )
- HM - чрезвычайно жесткий ( высокий модуль )
- UM - ( Ультрамодуль )
- UHM - ( сверхвысокий модуль )
- UMS - ( Ультрамодульная прочность )
- HMS - высокая жесткость / высокая прочность ( высокий модуль / высокая деформация )
Согласно этому списку, спектр свойств широк: доступные значения прочности на разрыв находятся в диапазоне от примерно 3500 МПа до 7000 МПа, жесткость на растяжение от 230 ГПа до почти 600 ГПа, а относительное удлинение при разрыве иногда ниже 1% при высоких значениях давления. жесткости при низкой жесткости в сочетании с более высокой прочностью могут составлять до 2%.
Производство
Томас Альва Эдисон получил патент еще в 1881 году на лампу накаливания из углеродного волокна, которую он разработал с нитями, сделанными из пиролизованных бамбуковых волокон .
Большой шаг был сделан в 1963 году, когда на предприятии British Royal Aircraft Establishment было произведено волокно с ориентированной кристаллической структурой .
Углеродные волокна производятся из органического сырья. В первую очередь, ставятся под сомнение те соединения, которые можно сначала превратить в неплавкую промежуточную стадию, а затем карбонизировать до углерода в процессе пиролиза, сохраняя при этом свою форму. Путем растяжения (приложения растягивающего напряжения ) во время этой стадии температурной обработки ориентация атомной структуры в волокнах может быть изменена таким образом, что во время карбонизации достигается более высокая прочность и жесткость волокон.
При такой обработке карбонизацией все элементы, кроме основной части углерода, отделяются в газообразной форме. Относительное содержание углерода увеличивается с повышением температуры, которая обычно находится в диапазоне от 1300 до 1500 ° C. Таким образом достигается содержание углерода от 96 до 98 процентов по массе.
Графитизация используется выше 1800 ° C. Прежде всего, все больше и больше совершенствуется структура графитовых углеродных слоев. Однако расстояние между этими углеродными слоями остается выше значения, известного из реального графита . Вот почему термин « графитовое волокно (волокно) », используемый в англоязычном мире, строго говоря неверен. Это также относится к терминам «графитовое волокно» и «углеродное волокно», используемым в немецкоязычных странах.
Обработка отжигом увеличивает модуль упругости из-за структурного подхода к решетке графита, но это снижает прочность.
Структурное разнообразие волокон с широким диапазоном свойств является результатом анизотропии графитовых слоев, которой можно управлять с помощью производственных параметров. В случае непрерывных волокон, в зависимости от типа волокна, достигается почти теоретическое значение жесткости, но обычно только 2–4% от теоретической прочности. В случае волокон, которые, в отличие от описанного выше метода, осаждаются из газовой фазы (так называемые нитевидные кристаллы с очень короткой длиной), можно достичь значительно более высокой прочности.
На сегодняшний день существует три установленных исходных материала для непрерывных углеродных волокон:
Вискоза / вискоза (целлюлоза)
В целлюлозоразлагающем на основе вискозного волокна , полученное с использованием процесса вискозного являются исходным материалом для углеродных волокон. Из-за сырья они не обладают идеальной углеродной структурой. Поэтому они имеют сравнительно низкую теплопроводность и электрическую проводимость. (Однако при использовании в качестве нити накала высокое омическое сопротивление было благоприятным.) Поэтому они в основном используются в качестве изоляционных материалов, которые могут выдерживать высокие тепловые нагрузки (в отсутствие воздуха / кислорода) , например, в конструкции печей.
Полиакрилонитрил (PAN)
Большинство используемых сегодня высокоэффективных волокон (HT / IM) производятся из полиакрилонитрила посредством реакций стабилизации на воздухе и последующего пиролиза в среде защитного газа . Их главная особенность - высокая прочность на разрыв. Различие Niederfilament- и мультифиламентной пряжи ( англ. HeavyTow ). Для последних используются более дешевые производственные технологии текстильной промышленности, поэтому они наиболее рентабельны.
Неудача (разное происхождение)
В качестве сырья смола намного дешевле, чем PAN, но затраты на очистку и переработку настолько высоки, что волокна из PAN по-прежнему дешевле.
Если смолу просто расплавляют, формуют и карбонизируют, получают изотропные углеродные волокна с более низкими значениями прочности. Только преобразование в так называемую мезофазу посредством гидрогенизационной обработки позволяет ориентировать плоскости углеродной сетки вдоль оси волокна за счет растяжения во время производственного процесса.
Это также позволяет производить волокна с высокой жесткостью (HM). Обладая в то же время высокой прочностью на разрыв (HMS), эти волокна используются только в специальных приложениях из соображений стоимости.
Дальнейшая обработка
Для дальнейшей обработки волокна объединяются в так называемые филаментные нити. Распространены типы с 67 текс (1 К), 200 текс (3 К), 400 текс (6 К), 800 текс (12 К) и 1600 текс (24 К), ровницы с числом нитей более 24 К. , например B. 50 K, 100 K или 400 K называются Heavy Tows . Спецификация 200 текс означает вес (200 г) / (1000 м), а 1 К означает, что 1000 нитей объединены в одну пряжу.
Более грубая пряжа ( называемая « ровницей » для текстильного стекла ) используется, например, в качестве армирующих волокон для плоских структур. В авиастроении используются листы пряжи или ткани, так называемые препреги, которые предварительно пропитаны смолой, с низким или средним весом на единицу площади. Наиболее распространенным продуктом, применяемым в автомобильной технике, является многоосная ткань.
заявление
Чтобы использовать механические свойства волокон, их дополнительно обрабатывают при производстве волокнистых композитов , в частности композитов из волокнистого материала и пластика , а также в течение некоторого времени в композитах из керамического волокна . Значение пластиков, армированных углеродным волокном, в высокопроизводительном машиностроении значительно возрастает в течение нескольких лет; даже до этого они использовались в авиастроении. Обычно используемые, особенно в спортивном оборудовании для всех видов спорта, такие термины, как углерод , графит (ы) и углеродное волокно, обычно обозначают термореактивные пластмассы, армированные углеродным волокном .
Углеродные волокна по сравнению со стекловолокном имеют меньший вес и более высокую цену. Поэтому они используются в авиации и космонавтике, а также в спортивном оборудовании (таком как удочки, гоночные велосипеды, горные велосипеды, теннисные ракетки, используемые коньки , гребные лодки, снаряжение для виндсерфинга). Таким образом, также так называемые, например монокок и другие части Формулы 1 - гоночные автомобили из углепластика .
Примеры из авиации - вертикальный стабилизатор Airbus A380 или фюзеляж Boeing 787 .
В Англии мост делают из бетона, армированного углеродным волокном, который может выдерживать огромные силы растяжения и сжатия.
Углерод, армированный углеродным волокном, в основном используется в космических путешествиях в качестве материала для теплозащитных экранов или форсунок , но он также используется в производстве полого стекла как заменитель асбеста или в качестве футеровки для термоядерных реакторов .
Компоненты из пластика, армированного углеродным волокном, теперь широко используются в некоторых велосипедах , таких как B. гоночные велосипеды / горные велосипеды. Тем временем здесь продаются не только рамы, но и другие компоненты, такие как шатуны, колеса, рули, подседельные штыри и другие. из углепластика.
Углеродные волокна также используются в стрельбе из лука . Древки современных спортивных стрел сделаны с усилением из углеродного волокна, что благодаря небольшому весу идеально подходит для дальних дистанций.
В микромеханике водных лыж , в высококачественных удилищах и смычках для струнных инструментов и даже в инструментах самой скрипки, углеродные волокна - еще одно возможное применение.
В стоматологии углеродные волокна вклеивают в корни для шинирования зубов, а также в виде штифтов, чтобы обеспечить фиксацию абатментов для разрушенных зубов.
Электропроводность и небольшой размер (диаметр) углеродных волокон в графитовых бомбах используются в военных целях. Короткие секции из углеродного волокна, помещенные в бомбу , распределяются по соответствующему объекту с помощью разлагающегося заряда . Волокна распределяются в электрических системах и устройствах потоком воздуха, а также с помощью вентиляторов или систем вентиляции и охлаждения и даже достигают труднодоступных мест внутри компьютеров. Возникшие короткие замыкания приводят к выходу из строя даже больших систем, если затронуты устройства управления.
Испытания материалов, армированных углеродным волокном.
Для испытания материалов, армированных углеродным волокном, используются как разрушающие, так и неразрушающие методы контроля. Разрушающее испытание (например, испытание на удар с надрезом) используется, например, для проверки разрушающей нагрузки материала или характеристик разрушения. Методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковой или акустический контроль, в основном используются для проверки дефектов полимерного компонента композита (отслоения, пустоты, пузырьки).
Эффекты в самой структуре волокна (перемычки, трещины, волнистости, складки, перекрытия, скопления или разориентация волокон) измеряются с использованием высокочастотных методов вихревых токов.
Подобные методы вихревых токов используются для локального определения веса на единицу площади в компонентах углепластика и текстильных изделиях.
Производитель
Крупнейшими производителями по производственной мощности в 1000 т (по состоянию на 2018 г.) являются:
| Производитель | вместимость |
|---|---|
| Торай (с Золтеком ) | 47,5 |
| SGL карбон | 15-е |
| MCCFC | 14,3 |
| TohoTenax | 12,6 |
| Hexcel | 12,5 |
| Formosa Plastics | 8,8 |
| Сольвей ( Cytec ) | 7.0 |
| Чжунфу-Шэньин | 6-е |
| Материал волокна Хэншэнь | 5 |
| ДауАкса | 3,6 |
Утилизация и переработка
Утилизации и переработки углеродных волокнистых материалов , содержащих все еще разрабатываются и не были окончательно решены. Используются различные подходы, от повторного использования волокна в компонентах, армированных волокном, до термической переработки. Институт волокна Бремена e. В 2008–2010 годах В. экспериментировал с техникой, в которой направленные волокна с длиной волокна около 60 мм наносились на термопластичную полипропиленовую пленку и таким образом прессовались в высокопрочные маты (так называемая органо-пленка ). В этой технологии, как и в других методах переработки (например, при производстве так называемых органических листов ), первым шагом является измельчение отходов. Для этого можно использовать обычные механические методы. Однако небольшое количество пыли образуется из волокон и матричного материала. Эта пыль нежелательна, потому что она не подходит для вторичной переработки, содержащиеся в ней волокна электропроводны и могут привести к выходу из строя электрических систем. Кроме того, пыль опасна для здоровья, поэтому необходимо носить соответствующую защитную одежду. Однако механическая обработка углепластика не создает никаких «волокон ВОЗ» (волокон, которые считаются потенциально канцерогенными). В случае термической переработки на заводах по сжиганию бытовых отходов время пребывания отходов в горячей зоне предприятий обычно слишком короткое, чтобы волокна, встроенные в матрицу, полностью сгорели. Это может привести к техническим проблемам с электрофильтрами . На заводах по сжиганию опасных отходов время пребывания материалов больше, а температуры выше. Тем не менее, волокна были обнаружены в сбрасываемом шлаке, поэтому полная переработка на заводах по сжиганию отходов не осуществляется.
В настоящее время исследуются регенерация термического материала при вторичной переработке стали и чистая регенерация материала при производстве карбида кальция в электродуговой печи и, следовательно, при значительно более высоких температурах. В соответствующих пилотных испытаниях волокна были полностью разложены, и разряда волокна не было обнаружено.
При переработке z. B. в промышленных установках пиролиза из волокон, произведенных из измельченных волокон, коротких волокон или нетканых материалов. Поскольку свойства почти непрерывного волокна достигаются при длине волокна 3–4 см, высококачественные продукты могут быть снова произведены из нетканого волокна и штапельного волокна.
С термопластической матрицей компоненты можно измельчать напрямую и повторно использовать при литье под давлением; разделение волоконной матрицы не требуется.
веб ссылки
Индивидуальные доказательства
- ↑ Ханс-Дж. Козловски: Химические волокна - Лексикон; 12-е расширенное издание. Deutscher Fachverlag, Франкфурт-на-Майне 2009, ISBN 978-3-87150-876-9 , стр. 118.
- ↑ a b c Эрих Фитцер , Арнольд Курт Фидлер, Дитер Юрген: Для производства углеродных волокон с высоким модулем упругости и высокой прочности . В: Инженер-химик Технология . Лента 43 , нет. 16 августа 1971 г., с. 923-931 , DOI : 10.1002 / cite.330431607 ( PDF ).
- ↑ wiki.rg.de волокнистые композитные материалы (примечание: 1 омметр = 100 ом-сантиметр)
- ↑ Конрад Бергмайстер: Углеродные волокна в строительстве . 2003 г., Ernst & Sohn, стр. 39
- ↑ Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Углеродные волокна - производство, применение, обработка. Hanser Verlag, Мюнхен, 2019, ISBN 978-3-446-45407-1 , стр. 54ff.
- ↑ Бернд Клаус: Волокна для композитов с керамической матрицей в композитах с керамической матрицей, армированной волокном керамики и их применения . Wiley-VCH, Weinheim 2008, редактор Вальтер Кренкель, ISBN 978-3-527-31361-7 , стр. 1 и далее.
- ↑ Патент US390462 : Процесс изготовления углеродных волокон. Опубликовано 2 октября 1888 г. , изобретатель: Томас Альва Эдисон.
- ↑ Патент GB1110791 : Производство углеродных волокон. Зарегистрировано 24 апреля 1964 года , опубликовано 24 апреля 1968 года , изобретатели: Уильям Джонсон, Лесли Натан Филлипс, Уильям Ватт.
- ↑ Новые материалы оставляют свой след . В кн . : Природа . Лента 219 , нет. 5156 , 24 августа 1968 г., стр. 818-819 , DOI : 10.1038 / 219818a0 ( PDF ).
- ↑ Как производится углеродное волокно? доступ 29 декабря 2017 г.
- ↑ Хауке Ленгсфельд, Хендрик Майнка, Фолькер Альтштедт: Углеродные волокна - производство, использование, обработка. Hanser Verlag, Мюнхен 2019, ISBN 978-3-446-45407-1 , стр. 52.
- ↑ Конспект лекций по мостовидным протезам, армированным волокном (открыт в мае 2018 г.)
- ↑ Пресс-релиз по армированному волокном мосту (открыт в мае 2018 г.)
- ↑ Методы неразрушающего контроля углеродного волокна ( англ. ) SURAGUS GmbH. Проверено 29 ноября 2014 года.
- ↑ Отчет о рынке композитов 2018
- ↑ a b Tjark выступлений; Варзелхан: Текущие разработки в области рециркуляции и восстановления углепластика. В: 22-й Международный симпозиум по легкой конструкции в Дрездене.
- ↑ Хольгер Фишер, Ральф Боймер: Органо-пленки из переработанных углеродных волокон - новые способы серийного производства полуфабрикатов из углепластика . Лекция, ThermoComp Chemnitz, 30 июня 2011 г., онлайн [1] (PDF; 2,3 МБ)
- ↑ Сохранено? В: VDI-Nachrichten, 10 мая 2018 г.
- ↑ MAI Recycling - Разработка ресурсоэффективных процессов рециклинга углепластика и технологических цепочек для обеспечения в будущем высококачественных полуфабрикатов RC: итоговый отчет MAI Recycling
- ^ A b Марко Лимбург, Ян Штокшледер, Питер Квикер: Термическая обработка пластмасс, армированных углеродным волокном. : Опасные вещества - чистота. Воздух . 77, No. 5, 2017, ISSN 0949-8036 , pp. 198-208.
- ↑ Н. Биенковски, Л. Хиллерманн, Т. Штрейбель, Й. Кортманн, Ф. Копф, Р. Циммерманн, П. Йеле: Обработка углеродного бетона - строительный процесс и медицинские соображения: DVI-Bautechnik, годовое издание 2017/2018 стр.110 - 119
- ↑ Марко Лимбург, Питер Квикер: Маленькие детали, большие проблемы. В: ReSource. 29, No. 2, 2016, ISSN 1866-9735 , pp. 54-58.
- ↑ Денни Шюппель, Ян Штокшледер, Тьярк фон Реден: углепластик с истекшим сроком службы в качестве сырья для производства стали и карбида кальция. В: Европейская конференция по композитным материалам 2018 / Афины
- ↑ Сайт ELG. Проверено 9 июля 2018 года .
- ↑ Сайт CarboNXT. Проверено 9 июля 2018 года .
литература
Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Углеродные волокна - производство, применение, обработка. Hanser Verlag, Munich 2019, ISBN 978-3-446-45407-1 .