Was ist Carbon Composite?

Da die Anforderungen an die Werkstoffe in Bezug auf geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ständig steigen, können die traditionellen Metallwerkstoffe diese Anforderungen allmählich nicht mehr erfüllen. Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe zeichnen sich jedoch durch ihre herausragende umfassende Leistung aus und werden zu einer zentralen Anwendung im Bereich der modernen Werkstoffe. Daher ist es wichtig, seine Definition, Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungen in verwandten Branchen zu verstehen.

Grundlegende Definition und Zusammensetzung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen

Definition

Kohlenstoffverbundwerkstoffe sind eine neue Art von Verbundwerkstoffen mit spezifischen Funktionen und mechanischen Eigenschaften. Er besteht aus Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial und Harzen, Metallen, Keramiken usw. als Matrixmaterial. Durch Formgebungsverfahren wie Formpressen, Wickeln, Heißpressen usw. werden die beiden Materialien eng miteinander verbunden. Damit wird ein Leistungsdurchbruch erzielt, der die kombinierte Leistung eines einzelnen Materials wie Stahl weit übertrifft.

Wichtige Komponenten

Verstärkende Materialien

Der Verstärkungskörper bestimmt direkt die mechanischen Kerneigenschaften wie Festigkeit und Elastizität des Materials. Sein Hauptbestandteil ist die Kohlenstofffaser, zu der viele organische Fasern wie Polyacrylnitril, Viskosefasern usw. gehören. Sie werden hergestellt, indem Verunreinigungen entfernt und die atomare Struktur des Kohlenstoffs durch Prozesse wie Hochtemperaturverkohlung und Graphitierung umstrukturiert wird. Am Ende entsteht ein faserähnliches Material mit einem Durchmesser von nur 5-10 Mikrometern und einem Kohlenstoffgehalt von über 90%. Auf der Grundlage von Leistungsunterschieden können Kohlenstofffasern in verschiedene Qualitäten eingeteilt werden:

Allzweckqualität (wie T300)

Seine Festigkeit und sein Elastizitätsmodul sind mäßig, und es hat geringere Kosten und wird hauptsächlich für Sportgeräte und gewöhnliche industrielle Komponenten verwendet.

Hochleistungsklasse (wie T800, T1100)

Die Zugfestigkeit kann das 5-6-fache von Stahl erreichen, und der Elastizitätsmodul ist weit höher als der von Aluminiumlegierungen. Daher kann es für Bereiche mit extrem hohen Leistungsanforderungen wie die Luft- und Raumfahrt und High-End-Geräte verwendet werden.

Darüber hinaus wirkt sich auch die Form der Kohlenstofffasern wie Endlosfasern oder geschnittene Fasern auf die Materialeigenschaften aus.

Matrix-Materialien

Das Matrixmaterial ist dafür verantwortlich, die verstreuten Kohlenstofffasern zu einem Ganzen zu verbinden, das die äußeren Belastungen gleichmäßig überträgt. Außerdem verhindert es eine Beschädigung der Kohlenstofffasern durch raue Umgebungsbedingungen wie Korrosion und hohe Temperaturen. Derzeit werden die gängigsten Matrixmaterialien hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt:

Kunstharz-Matrix

Epoxidharz:

Es zeichnet sich durch eine starke Haftung, ein einfaches Formgebungsverfahren und kontrollierbare Kosten aus und wird daher bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt und bei Sportgeräten eingesetzt.

Phenolharz:

Es hat eine gute Hitzebeständigkeit und Flammwidrigkeit, weshalb es meist für feuerfeste Bauteile verwendet wird.

Polyimid-Harz:

Es kann bei Temperaturen von über 200℃ stabil arbeiten, was sich für hochwertige Motorkomponenten eignet.

Metallmatrix

Es besteht überwiegend aus Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen. Es besitzt sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber der Umformungsprozess ist komplex und die Kosten sind relativ hoch. Daher eignet es sich für Komponenten zur Wärmeableitung in elektronischen Geräten und Flugzeugtriebwerksschaufeln, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern.

Keramische Matrix

Es besteht hauptsächlich aus Materialien wie Siliziumkarbid und Aluminiumoxid, das eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und hervorragende Verschleißfestigkeit aufweist. Es ist in der Lage, Temperaturen über 1000℃, die das Kernmaterial für Komponenten in extremen Umgebungen ist zu widerstehen.

Wesentliche Merkmale von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen

Hohe Festigkeit und hoher Modulus

Seine Zugfestigkeit erreicht ein Mehrfaches derjenigen von Stahl, und sein Elastizitätsmodul übertrifft bei weitem die von herkömmlichen Metallen. Dadurch können Komponenten aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen kleiner und leichter sein, was die Stabilität gewährleistet. Außerdem sind sie besser in der Lage, Verformungen zu widerstehen, was die Verformung der Tragflächen verringern und die Flugsicherheit und -leistung gewährleisten kann.

Niedrige Dichte

Kohlenstoff-Verbundstoff Werkstoffe haben eine extrem niedrige Dichte, die nur 1/4 - 1/5 der Dichte von Stahl und etwa 1/2 der Dichte von Aluminium beträgt. Daher kann es zur Herstellung von Bauteilen wie Autokarosserien und Fahrgestellen verwendet werden, wodurch sich das Gewicht erheblich reduzieren lässt. Und in der Luft- und Raumfahrt wird das Gewicht von Flugzeugen reduziert, was die Startkosten senkt und die Nutzlast und Reichweite erhöht.

Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit

Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit reagiert es nicht mit Säuren, Laugen und Salzen. Daher kann es lange Zeit in rauen chemischen Umgebungen eingesetzt werden, was die Lebensdauer der Geräte verlängert und die Wartungskosten senkt. Dank seiner hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit breitet sich der Schaden nur langsam aus, und die Ermüdungslebensdauer ist bei wechselnden Belastungen lang.

Planbarkeit

Kohlenstoffverbundwerkstoffe besitzen eine hohe Designfähigkeit, die Leistung der Bauteile kann nach Bedarf gestaltet werden. Sie können die Arten, den Inhalt, die Verlegerichtung und die Methode der Kohlefasernsowie die Wahl verschiedener Matrixmaterialien. Darüber hinaus können Sie durch die Modifizierung des Formgebungsverfahrens komplex geformte Bauteile herstellen, ohne dass umfangreiche Schneidearbeiten erforderlich sind. Dies verringert den Materialabfall und verbessert die Effizienz, ermöglicht die Erfüllung spezieller Anforderungen in verschiedenen Bereichen und erweitert den Anwendungsbereich.

Hauptanwendungsbereiche von Carbon Composites

Bereich Luft- und Raumfahrt

In Bezug auf Passagierflugzeuge

Es reduziert das Gewicht und verbessert die Treibstoffeffizienz, weshalb der Rumpf, die Tragflächen und andere Kernkomponenten in großem Umfang aus diesem Material hergestellt werden. Einige Kampfflugzeuge verwenden es zur Herstellung von Außenhaut und Bombenschachttüren, was die Manövrierfähigkeit und die Tarnkappenleistung verbessert.

In Raumfahrzeugen

Sie können es verwenden, um Gewicht zu reduzieren und erhöhen die Tragfähigkeit für Satellitenrahmen und Solarpanel unterstützt. Und es kann Temperaturen über 3000℃ widerstehen und den Start sicherstellen, der für Hochtemperatur-Komponenten verwendet werden kann.

Bereich Transport

Im Automobilsektor

Da die Getriebewellen 40% leichter als Metall sind, tragen sie zur Gewichtsreduzierung und Energieeinsparung bei. Und es hat eine höhere Übertragungseffizienz, die das Gewicht der Federn halbiert, wobei die Ermüdungsfestigkeit erhalten bleibt.

Im Bereich des Hochgeschwindigkeitsverkehrs

Sie können es für die Karosserie und die Sitzrahmen des Zuges verwenden, was das Gewicht der Karosserie um 10% reduziert. Außerdem kann es den Energieverbrauch um 8% bis 10% senken und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit. So kann es die Wartung in feuchten und küstennahen Umgebungen reduzieren und die Betriebskosten senken.

Bereich Sportgeräte

In der Kugelausrüstung

Für den Rahmen ist es 30% leichter als Metall und hat eine gute Elastizität, effiziente Kraftübertragung und reduziert Armverletzungen. Für Golfschläger können Sie den Schaft anpassen, indem Sie die Faseranordnung ändern, um einen starren Schaft und einen harten Kopf zu erreichen.

In Radsport- und Leichtathletikausrüstung

Sie können es für High-End-Fahrradrahmen und -räder verwenden, um ein extrem geringes Gewicht und eine hohe Steifigkeit zu erreichen. Beim Stabhochsprung ist es hilfreich, da der Stab Energie speichert und den Athleten hilft, die Höhe zu durchbrechen.

Bereich Industrie und neue Energien

In der Windenergie

Im Vergleich zu herkömmlichen Glasfaserblättern sind sie 30% leichter und ermüdungsresistenter. Außerdem können sie bei starkem Seewind über 20 Jahre lang stabil betrieben werden und passen sich so der Entwicklung der Groß- und Offshore-Windenergie an.

Im Bereich der Hochdruckbehälter

Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit kann es für Erdgas- und Wasserstoffspeicher verwendet werden. Es kann auch in Wasserstofftanks von Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden, wodurch das Gewicht reduziert und die Reichweite erhöht werden kann.

Schlussfolgerung

Kohlefaserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hervorragende Leistung aus und haben Vorteile wie eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte. Außerdem bietet er breite Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Verkehr, Sportgeräte und neue industrielle Energien. Darüber hinaus treibt er nicht nur technologische Innovationen in der Industrie voran, sondern bietet auch Materiallösungen für Leichtbau und Energieeinsparung.