Die Kohlenstofffaser besteht aus Faser extrem feine, etwa fünf bis zehn Mikrometern im Durchmesser, und ist hauptsächlich aus Kohlenstoff - Atom . Diese werden zu mikroskopischen Kristallen agglomeriert, die mehr oder weniger parallel zur Längsachse der Faser ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Kristalle macht die Faser für ihre Größe extrem stark. Mehrere tausend Kohlefasern werden zu einem Garn gewickelt, das so wie es ist oder gewebt verwendet werden kann .
Dieses Material zeichnet sich durch seine geringe Dichte (1,7 bis 1,9), seine hohe Zug- und Druckfestigkeit, seine Flexibilität, seine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit , seine Temperaturbeständigkeit und seine chemische Trägheit (außer bei Oxidation) aus.
Seine Hauptanwendung besteht darin, als Verstärkung in Verbundwerkstoffen zu dienen , wodurch Teile mit guten mechanischen Eigenschaften erhalten werden können, die jedoch wesentlich leichter sind als Metallteile.
Die erste Anwendung von Carbonfasern lag in der Entwicklung von Garnen für Glühlampen. Joseph Swan stellte 1860 die ersten Fasern her. Es waren zunächst karbonisierte Papierfilamente, dann verbesserte er die Qualität von Karbonfäden durch die Verwendung karbonisierter Baumwollfasern. Ab 1879 verwendete Thomas Edison hochtemperaturkarbonisierte Bambusfasern. Im Jahr 1880 verbesserte Lewis Latimer das Verfahren von Thomas Edison, um zuverlässige Kohlefilamente zu erhalten, was zu Betriebszeiten der Glühbirne von mehreren hundert Stunden führte. Ab 1892 wird die elektrische Beleuchtung zugunsten der Beleuchtung durch Erhitzen von Glühschläuchen für die öffentliche Beleuchtung aufgegeben und die Herstellung von Kohledrähten wird für mehrere Jahrzehnte eingestellt.
1958 wollte Roger Bacon (en) den Tripelpunkt von Kohlenstoffatomen durch Erhitzen auf hohe Temperatur in einem Lichtbogenofen bestimmen, er beobachtete die Bildung von Kohlenstofffilamenten. Er untersuchte weiterhin die Bildung dieser Filamente, um zu einer patentierten Herstellungsmethode zu gelangen. Das Verfahren basierte auf der Karbonisierung von Viskosefasern , es wurde von Union Carbide (deren Carbonzweig später Graphtec wurde ) verwendet. Die mechanischen Eigenschaften dieser Fasern waren jedoch aufgrund ihres geringen Kohlenstoffgehalts eingeschränkt. 1960 stellte Akio Shindo Carbonfasern von besserer Qualität aus Polyacrylnitril (ehemals PAN-Fasern) her. Im gleichen Zeitraum verbesserte Richard Millington das Herstellungsverfahren für Fasern aus Viskose. Ihr hoher Kohlenstoffgehalt (99 %) und ihre guten mechanischen Eigenschaften ließen ihren Einsatz als Verstärkung in Verbundwerkstoffen in Betracht ziehen. Während dieses Jahrzehnts wurde geforscht, um neue Kohlenstoffvorläufer zu finden, um Fasern zu erhalten. Sie führen zu Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern aus Erdölpech.
1963 entwickelten W. Watt, LN Phillips und W. Johnson (Royal Aircraft Establishment in Farnborough, Hampshire) ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Rolls-Royce verwendet dieses Verfahren zur Herstellung von Verdichterschaufeln für seine RB211- Triebwerke . Diese Verbundwerkstoffe sind jedoch empfindlich gegenüber Stößen ( zB Kollisionen mit Vögeln), was ihre Verwendung in der Luftfahrt einschränkt. Im gleichen Zeitraum unterstützte die japanische Regierung sehr aktiv die Entwicklung der industriellen Produktion von Kohlefasern, und mehrere Unternehmen entwickelten diese Aktivität ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japan wird führend im Bereich Carbonfasern aus PAN.
In den 1970er Jahren wurde der Weltmarkt von Union Carbide dominiert, die das Toray-Verfahren einsetzten. Die Firma Courtaulds ist der einzige große britische Anbieter. Dieses Unternehmen wird bis Ende der 1980er Jahre ein wichtiger Lieferant von Verbundwerkstoffen für Anwendungen im Sport bleiben.Auch die USA und Europa ermutigen Unternehmen wie BASF , Celanese oder Akzo , die industrielle Produktion von Fasern aus Carbon zu entwickeln.
Seit Ende der 1970er Jahre haben viele Entwicklungen zur Herstellung von Fasern mit mechanischen Eigenschaften geführt, die für viele verschiedene Anwendungen geeignet sind. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen Hochmodulfasern und hochfesten Fasern. Die Nachfrage nach Verbundwerkstoffen steigt ständig, hauptsächlich angetrieben durch die Luftfahrt-, Verteidigungs- und Windindustrie. Dies hat dazu geführt, dass auf diesem Markt neue Player wie China oder Südkorea entstanden sind. In jüngerer Zeit hat die Notwendigkeit, Kohlenstoffvorläufer aus fossilen Ressourcen durch biobasierte Vorläufer zu ersetzen, zu Forschungsaktivitäten im Bereich ligninbasierter Fasern geführt . Es wurden auch Verbundfasern entwickelt, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Struktur verwenden.
Wir können drei Hauptfamilien von Fasern nennen, die in großem Maßstab verwendet werden:
Die durch chemische Gasphasenabscheidung aus einem Kohlenstoffvorläufer wie Benzol erhaltenen Fasern haben unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen und werden allgemein als „ Kohlenstoff-Nanofasern “ bezeichnet.
Kohlefaser ist ein Material mit einem sehr hohen Kohlenstoffgehalt (mehr als 90 Masse-%). Auf atomarer Ebene besteht eine Faser aus polyaromatischen Kohlenstoffschichten, die in einer Struktur gestapelt sein können, die der von Graphit sehr ähnlich sein kann, aber auch ungeordneter als Graphit sein kann (turbostratischer Kohlenstoff, bei dem die Stapelung von Kohlenstoffschichten Fehler enthält). Der Graphitierungsgrad der Fasern hängt vom verwendeten Precursor, aber auch vom verwendeten Herstellungsverfahren ab. Die Anordnung der Stapel von Kohlenstoffplatten stellt die Mikrostruktur der Kohlenstofffasern dar, sie hängt auch vom Kohlenstoffvorläufer und vom Syntheseverfahren ab.
Toray M40 Ex-PAN-Faser mit hohem Modul.
Toho Tenax-Faser.
Celion Ex-Viskose-Kohlefaser.
Eine Faser ist ein eindimensionales Material, es ist die Anordnung von Fasern in zwei oder drei Dimensionen, die es ermöglicht, ein C / C- Verbundteil mit guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Die Gebrauchseigenschaften einer Kohlefaser werden daher in Längsrichtung der Faser charakterisiert.
Der Durchmesser von Carbonfasern liegt mittlerweile zwischen 5 und 10 µm. Die Dichte der Kohlefasern liegt in der Größenordnung von 1,7. Dadurch ist es möglich, Verbundwerkstoffe mit ähnlicher Dichte zu konzipieren, was gegenüber metallischen Werkstoffen eine sehr deutliche Reduzierung darstellt.
Die Hauptanwendung von Carbonfasern ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Gewichtsreduzierung. Mechanische Eigenschaften sind daher die wesentlichen Eigenschaften einer Faser. Zwei Parameter werden hauptsächlich verwendet:
Eine Faser mit einem hohen Elastizitätsmodul verformt sich sehr wenig, kann aber bei mäßiger Belastung brechen. Als Verstärkung verwendet, kann es zu einem Material mit zerbrechlichem Charakter führen. Dieser Fasertyp wird als Hochmodulfaser bezeichnet. Eine Faser mit einem moderateren Elastizitätsmodul hat eine größere Zugfestigkeit, sie kann dem Verbundmaterial eine bessere Zugfestigkeit, aber eine größere Verformbarkeit verleihen. Wenn eine Kohlefaser einen sehr graphitischen Charakter und eine sehr geordnete Struktur hat, hat sie einen hohen Elastizitätsmodul, andererseits einen spröden Charakter. Die Kontrolle dieser Struktur wird durch die Wahl des Vorläufers erreicht (eine Ex-Pech-Faser ist im Allgemeinen graphitischer als eine Ex-PAN-Faser), aber auch durch die Verwendung einer Wärmebehandlung bei sehr hoher Temperatur.
Da Kohlefasern aus graphitischen Domänen bestehen, machen sie sich die elektrischen Eigenschaften von Graphit zunutze . Graphit ist ein anisotropes Material mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit in Richtung der Graphenebenen. Da die graphitischen Domänen in den Fasern in Längsrichtung orientiert sind, weisen letztere auch gute thermische und elektrische Eigenschaften in Garnrichtung auf. Der spezifische elektrische Widerstand einer Faser nimmt daher ab, wenn ihr graphitischer Charakter zunimmt, die Werte variieren von 900 µΩ cm für eine Faser mit hohem Modul (350 bis 500 GPa ) bis 1650 µΩ cm für Fasern mit niedrigeren Moduli (200 bis 300 GPa ). Die Wärmeleitfähigkeit ist auch strukturabhängig, sie kann von 20 W m –1 K –1 für Fasern mit mittlerem Modul bis 80 W m –1 K –1 für Fasern mit hohem Modul variieren .
Die aus Polyacrylnitril gewonnenen Fasern machen den größten Teil der Verstärkungen aus, die in Verbundwerkstoffen verwendet werden. Dies liegt daran, dass sie gute mechanische Eigenschaften aufweisen können, während sie moderate Herstellungskosten haben. Das PAN ist ein Polymer mit der Formel [-CH 2 -CH (CN)-] n . Die Herstellungsschritte sind wie folgt:
Ex-Pech-Fasern können aus verschiedenen Arten von Vorläufern gewonnen werden:
Die Zusammensetzung eines Pechs variiert stark in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren und der verwendeten Vorstufe. In allen Fällen enthält es einen hohen Anteil an aromatischem Kohlenstoff in Form polyaromatischer Moleküle mit einer Molmasse von 400 bis 600 g/mol. Die aus Holzkohle erhaltenen Fasern können feste Kohlenstoffpartikel enthalten, die die erhaltenen Kohlenstoffasern schwächen können, daher wird vorzugsweise Erdölpech verwendet.
Die wichtigste Vorstufe für diesen Fasertyp ist Zellulose . Dieses Material wird als "Rayon" bezeichnet, die normale Form von Rayon wird als " Viskose " bezeichnet. Die Entwicklung eines Viskosefadens umfasst mehrere Phasen:
Aus Rayongarn sind die Schritte zum Erhalten von Kohlenstoffasern ähnlich denen, die für Ex-PAN-Fasern vorgestellt wurden.
Das Lignin ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer mit aromatischen Strukturen, es macht zwischen 15 und 30 % der Pflanzen aus. Es ist ein Material, das heute zu sehr moderaten Kosten erhältlich ist, zum Beispiel als Nebenprodukt der Papierherstellung . Seine chemische Struktur, die aus aromatischen Strukturen besteht, die miteinander verbunden sind, um ein zweidimensionales Netzwerk zu bilden, und der thermoplastische Charakter dieses Polymers ermöglichen es, es zu Fasern zu extrudieren und es zu einer Kohlenstoffaser wärmezubehandeln . Das Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern aus Lignin ist daher dem in den vorherigen Absätzen vorgestellten sehr ähnlich.
Eine der Schwierigkeiten besteht darin, dass Lignin je nach der Pflanze, aus der es stammt, und dem Verfahren, das verwendet wird, um es von anderen Pflanzenbestandteilen zu trennen, unterschiedliche Struktur und physikalische Eigenschaften aufweisen kann. Es kann auch Verunreinigungen enthalten. Die von der Glasübergangstemperatur ( T v ) abhängigen Faserextrusionsbedingungen müssen daher in Abhängigkeit vom eingesetzten Lignin gewählt werden. Darüber hinaus können die endgültigen Eigenschaften von Kohlefasern in Abhängigkeit von der anfänglichen Zusammensetzung des Lignins variieren. Trotz dieser Schwierigkeiten hat Lignin viele Vorteile: Es ist ein Bio-Material mit geringen Kosten, es hat eine gute Kohlenstoffausbeute und sein thermoplastischer Charakter ermöglicht die Entwicklung effizienter Herstellungsverfahren. Die ersten Patente zu diesem Thema aus den 1960er Jahren, aber die Forschung auf die Optimierung dieser Fasern und die Integration von Fertigungsprozessen in einem Konzept der Bio-Raffinerie hat sich seit Beginn des XXI sehr aktiv geworden th Jahrhundert ( zB. Europäisches Programm LIBRE Lignin basierte Carbonfasern für Verbundwerkstoffe ).
Zur Herstellung von Garnen, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthalten, wurden mehrere Verfahren entwickelt . Wir können zitieren:
Die Eigenschaften der erhaltenen Fasern hängen stark von den Nanotubes und dem verwendeten Verfahren ab. Die beabsichtigten Anwendungen für diesen Fasertyp sind in der Regel technische Textilien.
Carbonfasern werden hauptsächlich als Verstärkung in Verbundwerkstoffen verwendet . Sie ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit guten mechanischen Eigenschaften: Steifigkeit, Rissbeständigkeit usw. , während es im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine geringe Dichte aufweist.
Sie werden in der Regel in Form von überkreuzten Fäden oder gewebten Lagen in das Verbundmaterial eingebracht, anschließend wird eine Matrix in das Material eingeschleust, um das gewünschte Teil herzustellen. Für einen gegebenen Raum muss eine optimale Anordnung des Glasfasernetzes berechnet werden. Die Entwicklung dieser Teile ist daher mit Kosten verbunden, so dass Verbundwerkstoffe auf Kohlefaserbasis hauptsächlich in kritischen Anwendungen eingesetzt werden.
Hauptanwendungsgebiet ist die Luft- und Raumfahrtindustrie:
Auch im Leistungssport werden Verbundwerkstoffe häufig verwendet, sowohl wegen ihres geringen Gewichts als auch wegen ihrer verbesserten mechanischen Eigenschaften:
Kohlefaser wird im Instrumentenbau verwendet :
In anderen Bereichen können wir auch anführen:
Carbonfasergewebe finden auch alleinige Anwendungen:
Kohlefasergewebe.
Airbus A330 / A340 Carbonbremse.
Trimaran der MOD70- Klasse
Hinterer Teil der Karosserie eines Champ Car Cars
Armin Bachmann (de) posiert mit zwei Alphornstücken , eines aus Holz und das andere aus Kohlefasern.