De vele opwindende toepassingen en toepassingen van koolstofvezelcomposieten

 

Wat zijn koolstofvezelcomposieten?

Composietmaterialen bestaan ​​uit een versterkende vezel ingekapseld in een polymeerhars. Er worden een aantal harsformuleringen en soorten vezels gebruikt in composieten, maar koolstofvezel valt op als onderdeel van veel hoogwaardige producten. In toepassingen waarbij het verminderen van het gewicht en het creëren van hoge sterkte voorrang hebben, is koolstofvezel de keuze voor versterking in veel geavanceerde composietstructuren.

 

Koolstofvezel wordt aangetroffen in de composietstructuren waar sterkte en licht gewicht een voordeel zijn; het is te vinden in hoogwaardige- sportwagens, raceauto's, hoogwaardige- boten, vliegtuigen en ruimtevaartvoertuigen, medische apparatuur en sportartikelen, waaronder ski's, snowboards, tennisrackets, golfclubs en honderden andere producten.

 

De toepassingen voor koolstofvezelcomposieten groeien sneller dan de algemene economie, omdat de behoefte aan lichtgewicht geavanceerde composietstructuren toeneemt. Economen voorspellen een aanzienlijke toename van de industriële kansen naarmate de technologie vordert en de toepassingen groeien. Geïnteresseerd in hoe koolstofvezelcomposieten hoogwaardige-prestatieproducten creëren of de rol ervan in energiebesparing door gewicht-reductie? Lees meer over het gebruik van koolstofvezel en hoe u betrokken kunt raken bij de toekomst van composiettechnologie.

 

Wat is koolstofvezel?

Koolstofvezel, ook wel grafietvezel genoemd, is een sterk, lichtgewicht materiaal gemaakt van honderden individuele koolstoffilamenten die acht keer dunner zijn dan een mensenhaar. De filamenten zijn samengesteld uit koolstofatomen die in lange ketens aan elkaar zijn gebonden. In gewicht is een koolstofvezelcomposiet vijf keer sterker dan staal en twee keer zo stijf als gevolg van zijn hoge treksterkte.

Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?

Koolstoffilamenten beginnen met een op acryl-gebaseerd plastic dat bekend staat als polyacrylonitril (PAN). Een meerstapsproces begint met het verwarmen en spinnen van de polyacrylonitrilvezels (PAN) tot filamenten. Deze filamenten worden vervolgens verwarmd tot nog hogere temperaturen van ongeveer 3000 F, waarbij ze oxidatie en carbonisatie ondergaan waardoor niet--koolstofelementen worden verwijderd en de koolstofatomen worden uitgelijnd tot strak-opeengepakte kristallen. De resulterende koolstofvezels krijgen vervolgens een oppervlaktebehandeling, worden tot bundels samengevoegd en op spoelen gewikkeld. Deze vezels worden vervolgens gegroepeerd in grotere bundels, bekend als koolstofkabel, of tot stoffen geweven.

 

Hoe wordt koolstofvezel gebruikt?

De strengen van koolstofvezelkabels of geweven stoffen worden verzadigd met een polymeerhars, zoals epoxy, en in een mal gevormd. De uitgeharde hars kapselt de koolstoffilamenten in en creëert een stijve matrix in de gewenste vorm van het product. Door de combinatie van de harsmatrix (epoxy) en de versterkende vezel (koolstof) ontstaat een composietmateriaal. De kenmerken van met koolstofvezel versterkte composieten zijn licht van gewicht, stijfheid en hoge treksterkte.

 

Het begin van koolstofvezel

De geschiedenis van koolstofvezel dateert uit het einde van de 19e eeuw, toen Thomas Edison koolstofvezels gebruikte als filamenten voor vroege experimenten met gloeilampen. Het duurde echter tot de jaren vijftig voordat koolstofvezels werden geproduceerd als materiaal met hoge-sterkte.

Het gebruik van koolstofvezel als composietcomponent begon in 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, creëerde werkbare koolstofvezels door strengen rayon te verhitten tot ongeveer 3000 graden F totdat ze verkoolden. Dit proces was de voorloper van de moderne productiemethode voor koolstofvezels. In de jaren zestig vond de eerste commerciële productie van koolstofvezels plaats met behulp van het door Union Carbide ontwikkelde proces. Het potentieel van koolstofvezels als composietversterking werd onderkend en Rolls Royce begon ze te verwerken in straalmotoronderdelen.

In de jaren zeventig zorgde de lucht- en ruimtevaartindustrie voor vooruitgang op het gebied van composiettechnologie en werden de toepassingen van koolstofvezel beter gedocumenteerd en verfijnd. De race was begonnen om deze technologie toe te passen op constructies waar het verminderen van het gewicht en het vergroten van de sterkte belangrijk was. Omdat ruwe koolstofvezel meer kost dan andere vezelversterkingen, werd het aangepast aan kritische toepassingen waarbij de kosten ondergeschikt waren aan de prestaties.

In de jaren tachtig vond er een aanzienlijke impuls plaats aan koolstofvezelcomposieten toen deze materialen hun weg begonnen te vinden naar de sportartikelenindustrie. Ski's, snowboards, tennisrackets, golfclubs, hengels en fietsframes begonnen koolstofvezelcomponenten te bevatten vanwege hun lichtgewicht en hoge- sterkte-eigenschappen. In de commerciële sector begonnen de auto-, motorrace- en maritieme industrie te experimenteren met koolstofvezel om het voertuiggewicht te verminderen en de prestaties te verbeteren. Tegelijkertijd zorgden lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen voor een vooruitgang in de technische kennis-voor de toepassing van koolstofvezelcomposieten in toepassingen met de hoogste prestaties.

In de jaren negentig groeide het gebruik van koolstofvezelcomposieten toen fabrikanten manieren vonden om de kosten te verlagen en de kwaliteit van koolstofvezels te verbeteren. Dit leidde tot bredere toepassingen, onder meer in de bouw- en windenergiesector.

Koolstofvezel, als composietbestanddeel, werd in de jaren 2000 mainstream. Dit materiaal was niet langer beperkt tot hoogwaardige-toepassingen, maar werd gebruikt in een breed scala aan industrieën, van consumentenelektronica tot infrastructuur. In de daaropvolgende twintig jaar werden geavanceerde composieten gebruikt in steeds spraakmakendere toepassingen, zoals de Boeing 787 en de Airbus A350 vliegtuigen. De auto-industrie heeft door de autosport-geïnspireerde composiettechnologie overgenomen en- high-end boten van alle soorten gebruiken koolstofcomposieten als primaire structuren. De opkomst van technische hulpmiddelen zoals eindige-elementenanalyse en computationele vloeistofdynamica zorgt voor steeds-toenemende prestaties en toepassingen voor deze composietmaterialen.

 

Enkele echt coole toepassingen van koolstofvezel

Tegenwoordig verschijnen er regelmatig toepassingen voor koolstofvezelcomposieten. Terwijl koolstofvezel vroeger exotisch en duur was, kun je koolstofvezel nu vinden in een groot aantal industrieën en producten, zoals:

 

Marien

Koolstofvezelcomposieten zijn al tientallen jaren de steunpilaar van hoogwaardige racevaartuigen. America's Cup-boten zijn voorbeelden van het tot het uiterste drijven van de technologie, met koolstofvezelstructuren die de ruimtevaartbouw kunnen evenaren. Productieboten integreren steeds vaker koolstofvezel in vacuüminfusieverwerking met als doel een lichter en sneller vaartuig te produceren.

 

Automobiel

Koolstofvezel wordt steeds vaker toegepast in de autoproductie. Deze materialen werden voor het eerst gebruikt in Formule 1- en Indy-auto's, die early adopters waren van lucht- en ruimtevaarttechnologie. Vervolgens sijpelde het door naar exotische, hoogwaardige- sportwagens en vindt het momenteel zijn weg naar productieauto's. "Lightweighting" is een belangrijk doel van auto-ontwerp om de prestaties te verbeteren en de impact op het milieu te verminderen. NASCAR is onlangs overgestapt op carrosserieën van composiet voor de auto's uit de Cup Series. Deze nieuwe carrosserieën zijn zo sterk gebleken dat het de racestijl heeft veranderd omdat de auto's meer misbruik kunnen verdragen.

 

Vervoer

De vrachtwagenindustrie gebruikt al tientallen jaren composietcomponenten om de aerodynamica en het brandstofverbruik te verbeteren. Er staat een revolutie op stapel in het ontwerp van zware vrachtwagens, die een sterk verbeterde aerodynamica en een lager gewicht zal omvatten. Deze innovaties zijn gebaseerd op composietcomponenten en ontwerp om de luchtweerstand te verminderen. Er wordt geschat dat nieuwe ontwerpen gemaakt met slanke, lichtgewicht composietcomponenten kunnen resulteren in brandstofbesparingen van meer dan $ 50 miljard per jaar.

 

Vliegtuigen, ruimtevaart en defensie

Als we over het hele spectrum kijken, van commerciële vliegtuigen, militaire vliegtuigen, draagraketten en orbitale ruimtevaartuigen, spelen koolstofvezelcomposieten een steeds belangrijkere rol bij het behalen van prestatiedoelstellingen. Composiettechniek is in deze arena's goed ontwikkeld en voortdurende innovaties worden routinematig aangekondigd. Er zijn enorme hoeveelheden koolstofvezel toegewezen aan geheime militaire en defensieprojecten op het gebied van geavanceerde technologie. Op commercieel gebied zijn tientallen elektrische vliegtuigen met verticale start-vertical take-off (VTOL) nu pas gecertificeerd of in ontwikkeling. Al deze nieuwe vliegtuigen gebruiken koolstofcomposieten als primair structureel materiaal.

 

Sportartikelen

Koolstofvezelcomposieten worden overal in de sportartikelenwereld aangetroffen vanwege hun sterkte en lichte gewicht. Denk hierbij aan: hockeysticks, tennisrackets, boogschietbogen, golfclubs en hengels, ski’s, snowboards, wakeboards, kiteboards en folieboards. Ze gebruiken allemaal koolstofvezel, samen met roeischalen en fietsen.

 

Geneesmiddel

De medische sector is een andere sector waar koolstofvezel de afgelopen jaren een aanzienlijke impact heeft gehad. Koolstofvezel is transparant in röntgenbeelden, wat heeft geleid tot het gebruik ervan in een breed scala aan röntgen- en beeldapparatuur. Koolstofvezel wordt ook gebruikt in prothetische ledematen, die sterk, licht en comfortabel zijn om te dragen en te gebruiken.