Eigenschappen van koolstofvezel

Koolstofvezel, gekenmerkt door een ongelooflijke sterkte in combinatie met een zeer hoge flexibiliteit, is een van de sterkste materialen in termen van mechanische eigenschappen. Wat maakt koolstofvezel nu zo speciaal? Laten we eens een kijkje nemen in de eigenschappen en weten waarom dit het meest gebruikte materiaal ter wereld is.

Wat is koolstofvezel?

Koolstofvezel Zoals de naam al doet vermoeden, bestaat deze vezel uit microstrengen die koolstofatomenketens op een kristallijne manier met elkaar verbinden. Dit levert een ongelooflijk stijve, maar lichte vezel op. Dit zijn composietmaterialen die worden gecombineerd met koolstofvezels, waardoor ze andere eigenschappen krijgen voor gebruik in toepassingen.

Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?

Het fabricageproces begint met een precursor, meestal een polymeer - polyacrylonitril (PAN) wordt het meest gebruikt. Het polymeer verandert in een vezel en door het polymeer te verhitten kunnen niet-koolstofelementen worden verwijderd, waardoor een lange, dunne keten van pure koolstof overblijft. De stappen omvatten stabilisatie, carbonisatieoppervlaktebehandeling en dimensionering. Al deze stappen zijn belangrijk om de uitgesproken eigenschappen van koolstofvezel te bereiken. Dit grondige proces, dat wordt uitgevoerd bij zeer hoge temperaturen, betekent dat de vezels die worden geproduceerd voornamelijk bestaan uit koolstofatomen die stevig aan elkaar zijn gebonden.

Fysische eigenschappen van koolstofvezel

Dichtheid

Het heeft een zeer lage dichtheid en is dus erg licht. Deze eigenschap is zeer geschikt voor toepassingen waar gewicht een belangrijk punt van zorg is, zoals in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. Het weegt decadent licht met 1,6 g/cm³, dus het draagt veel minder dan staal en zelfs lichter in vergelijking met aluminium, waardoor het voor veel industrieën een gewild materiaal is om deze ijzersterke sterkte-gewichtsverhouding in evenwicht te brengen.

Moleculaire structuur

De moleculaire samenstelling van koolstofvezel is uniek. Het hexagonale patroon is een vorm van verbonden koolstofatomen, waardoor het zo sterk is als staal, terwijl het maar een fractie daarvan weegt. Eén polymeer dat een hexagonale roosterstructuur vormt, zorgt voor een hoge sterkte in de vezel terwijl het toch flexibel is. De grafietstructuur zorgt voor een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, wat gunstig kan zijn voor bepaalde toepassingen.

Flexibiliteit

Het is een modulaire structuur, alleen flexibel en zeer sterk. Het is flexibel en tegelijkertijd sterk, wat betekent dat het verschillende vormen kan aannemen voor verschillende toepassingen. De richting waarin de vezels zijn georiënteerd wanneer ze worden gezet, kan bepalen hoe stijf of flexibel koolstofvezelmateriaal is, waardoor het in verschillende situaties kan worden gebruikt. Dus voor onderdelen die een hoge stijfheid nodig hebben, kan unidirectionele koolstofvezel worden gebruikt, terwijl geweven koolstofvezel wordt gebruikt als er meer flexibiliteit en slagvastheid nodig is.

Chemische eigenschappen van koolstofvezel

Chemische samenstelling

De bouwstenen van koolstofvezel zijn koolstofatomen. Deze eenvoudige structuur zorgt voor stabiliteit, waardoor het bestand is tegen veel chemicaliën die uiteindelijk andere materialen aantasten. De kwaliteit van koolstofvezel maakt het minder reactief op omgevingsfactoren dan andere materialen. Hier kunnen we nog aan toevoegen dat koolstofvezel in tegenstelling tot metalen niet gevoelig is voor roest of oxidatie, wat een extra voordeel is bij extreem weer.

Chemische weerstand

Koolstofvezel is zeer goed bestand tegen corrosie en chemische schade. Dat maakt het bruikbaar in de extreme omgeving van blootstelling aan chemische stoffen. In chemische verwerkingsfabrieken wordt koolstofvezel bijvoorbeeld vaak gebruikt om corrosieve stoffen te weerstaan die anders metalen zouden aantasten. Dankzij de hoge weerstand tegen zuren, basen en oplosmiddelen zijn koolstofvezel onderdelen zeker duurzaam en functioneel, zelfs in extreme chemische omgevingen.

Mechanische eigenschappen van koolstofvezel

Treksterkte

De treksterkte van koolstofvezel is uitstekend, wat betekent dat het bestand is tegen hoge trekbelastingen. Deze treksterkte maakt het een veelgebruikt product in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. Aan de andere kant heeft koolstofvezel treksterktes tussen 3,5 en 6,0 GPa, wat betekent dat het qua gewicht beter is dan de meeste materialen (en zelfs staal). Omdat koolstofvezel licht en stijf is, heeft het een zeer hoge treksterkte en is het ideaal om te gebruiken in gewichtsgevoelige lastdragende toepassingen.

Druksterkte

Naast treksterkte heeft koolstofvezel ook een hoge druksterkte. Dit betekent dat het een behoorlijke hoeveelheid druk kan verdragen, waardoor het nuttig is in de bouw of voor zware toepassingen. Koolstofvezel heeft variabele waarden voor de druksterkte, afhankelijk van het type vezel of de oriëntatie, maar met een relatief lage slagvastheid. Deze eigenschap maakt kunststof een favoriet materiaal voor structurele onderdelen die drukbelastingen moeten weerstaan zonder te vervormen.

Elastische modulus

De elasticiteitsmodulus van koolstofvezel is hoog, wat betekent dat het kan worden gebogen wanneer een kracht wordt toegepast die boven de elasticiteitsgrens ligt. Dankzij deze eigenschap kan koolstofvezel zijn vorm behouden, zelfs onder extreme belastingen. Afhankelijk van het type koolstofvezel ligt de elasticiteitsmodulus meestal tussen 200 en 600 GPa. Koolstofvezel is veel stijver dan metaal, maar door deze stijfheid kan het worden gebruikt in precisietoepassingen zoals luchtvaartconstructies waar millimeters doorbuiging als een ontwerpfout wordt beschouwd.

Buigsterkte

Maar koolstofvezel is bestand tegen breken, zelfs bij aanzienlijk buigen. Dankzij de hoge buigsterkte kan het worden gebruikt in toepassingen die flexibiliteit vereisen met behoud van de structurele integriteit. Omdat koolstofvezel een door de mens gemaakt materiaal is, varieert de sterkte van de vezels afhankelijk van hoe de vezels georiënteerd en gelaagd zijn. Thermoplastische composieten, zoals geweven koolstofvezels, worden vaak gebruikt in producten die meer flexibiliteit en buigzaamheid vereisen, zoals sportartikelen en auto-onderdelen.

Slagsterkte

Hoewel koolstofvezel sterk is, kan het broos zijn bij een impact. Door het te combineren met andere materialen ontstaan composieten met een hoge splinterweerstand, waardoor de slagvastheid van het materiaal verbetert. In combinatie met epoxyharsen en andere polymeren kunnen koolstofvezels een hoge slagvastheid vertonen. Daarom zijn koolstofvezelcomposieten geschikt voor veiligheidskritische toepassingen, zoals crashstructuren in auto's en beschermende sportuitrustingen.

Breuktaaiheid

Dit is nuttig voor een bepaalde laag van de koolstofvezel omdat wanneer een enkele streng breekt, deze een breuktaaiheid bevat, die aangeeft hoe goed deze de groei van de scheur tegenhoudt. Hoewel het niet zo moeilijk is als sommige metalen, is het zo licht dat het soms het nadeel niet waard is voor verschillende toepassingen. In industrieën zoals lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie moeten materialen robuust zijn en bestand tegen vermoeiing en stress, waardoor breuktaaiheid van cruciaal belang is. Andere ontwikkelingen in koolstofvezelcomposiettechnologie, zowel puur als hybride, hebben de breuktaaiheid en functionele toepassingen verbeterd.

Thermische eigenschappen van koolstofvezel

Smeltpunt

Over het algemeen heeft koolstofvezel geen echt smeltpunt omdat het niet smelt onder normale omstandigheden. In plaats daarvan breekt het af bij zeer hoge temperaturen, wat het geschikt maakt voor warmtetoepassingen. In niet-oxiderende omstandigheden kan koolstofvezel temperaturen tot 3000 °C weerstaan. Deze hittebestendigheid komt van pas in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, waar de temperaturen tijdens herintredingen of hogesnelheidsvluchten ongelooflijk hoog kunnen oplopen.

Warmtegeleidbaarheid

Koolstofvezel heeft lage warmtegeleidende eigenschappen. Het behoudt zijn sterkte bij hoge temperaturen, waardoor het geschikt is voor toepassingen in omgevingen met hoge temperaturen, zoals de ruimtevaart. Deze eigenschap maakt het ideaal voor gebruik in thermische isolatie, waar hittebestendigheid een must is maar structurele integriteit behouden moet blijven. Het wordt ook gebruikt voor gereedschap bij hoge temperaturen, waar dimensionale stabiliteit van het grootste belang is.

Thermische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid van koolstofvezel is anisotroop. Het materiaal geleidt warmte effectief over de lengte van de vezels, maar isoleert over de vezels, wat leidt tot unieke eigenschappen die kunnen worden benut in verschillende toepassingen. Vanwege de anisotroop Door de thermische geleidbaarheid vindt koolstofvezel toepassingen waarbij een gecontroleerde warmteoverdracht belangrijk is. Zoals koellichamen of thermische barrières in elektronica en voertuigen met hoge prestaties.

Elektrische eigenschappen van koolstofvezel

Elektrische geleidbaarheid

Koolstofvezel heeft een elektrisch geleidingsvermogen dat gewenst is in veel toepassingen zoals elektromagnetische afscherming, daarom moeten we hier voorzichtig mee zijn op plaatsen waar we elektrische isolatie nodig hebben. In feite leiden associaties met lichtmaterialen ons naar een ander materiaal koolstofDaarom wordt koolstofvezel gebruikt voor toepassingen zoals de bescherming van vliegtuigen tegen blikseminslag. In tegenstelling hiermee kan koolstof in sommige vormen elektriciteit geleiden, maar in een typisch composietontwerp wordt dergelijk gedrag in het beste geval alleen onbedoeld waargenomen. Dit betekent dat er voorzichtig moet worden omgegaan met de isolatie van koolstofvezelcomponenten in toepassingen zoals medische apparatuur of elektrische componenten om ongewenste geleiding te voorkomen.

Gebruik van koolstofvezel in verschillende industrieën

Ruimtevaartindustrie

Het lage gewicht van koolstofvezel in combinatie met de hoge sterkte maakt het populair in de luchtvaart. En om ze efficiënt en veilig te houden, moeten vliegtuigen meestal worden gebouwd van zware maar lichte materialen. Het speelt een belangrijke rol in veel vliegtuigstructuren, zoals rompsecties, vleugels en interieuronderdelen. Hierdoor is het een essentieel materiaal voor zowel commerciële als militaire vliegtuigen omdat het bestand is tegen hoge belastingen en wisselende temperaturen.

Auto-industrie

In de automobielsector wordt dit materiaal gebruikt om de prestaties van voertuigen te verbeteren. De lichtgewichteigenschappen helpen bij het lichter maken, waardoor het aantal afgelegde kilometers en de wegligging verbeteren. Brandstofzuinige auto's, maar ook sportauto's en elektrische voertuigen, maken vaak gebruik van koolstofvezel om de acceleratie, het remmen en het bochtengedrag te verbeteren. De vloeren zijn gemaakt van koolstofvezel, net als structurele onderdelen, carrosseriepanelen en interieurbekleding, allemaal voor lichtgewicht en esthetische aantrekkingskracht.

Sportuitrusting

Bouwmateriaal op basis van de lichtere spectra koolstofvezel wordt veel gebruikt door producenten van sportuitrusting. De sterkte en het lichtere gewicht van koolstofvezel helpen bij tennisrackets, golfclubs en fietsen. Het ontwerp van koolstofvezel is lichtgewicht zodat atleten met meer vaardigheid kunnen presteren. Bij fietsen zorgen koolstofvezel frames voor de perfecte balans tussen stijfheid en comfort; bij golf verhogen koolstofvezel shafts de swingsnelheid en controle.

Medische apparaten

Koolstofvezel wordt ook gebruikt in medische hulpmiddelen en zorgt voor comfort en duurzaamheid. Door zijn lichtheid en duurzaamheid wordt koolstofvezel zelfs gebruikt in wielen voor rolstoelen en prothesen voor operaties. De radiolucentie maakt het geschikt voor gebruik in beeldvormingsapparatuur, omdat het niet interfereert met röntgenstralen of andere beeldvormingstechnieken. Dit is gunstig omdat koolstofvezelcomponenten kunnen worden gebruikt in medische beeldvormingsbedden, waardoor heldere beeldvorming zonder interferentie mogelijk is.

Bouw

Koolstofvezel wordt in de bouw gebruikt om constructies te versterken. Vaak wordt CFRP gebruikt om balken, bruggen en zelfs gebouwen te versterken, waar het wordt gebonden met polymeren. Met CFRP kunnen bestaande constructies worden verbeterd, zodat ze een grotere belasting kunnen dragen zonder dat het gewicht toeneemt. De weerstand tegen corrosie en aantasting van het milieu maakt het bijzonder geschikt voor infrastructuurprojecten in veeleisende omgevingen zoals kustgebieden.

Conclusie

Koolstofvezel is per definitie een composietmateriaal omdat het sterk, licht, chemisch resistent en veelzijdig is. De diverse eigenschappen maken het essentieel in verschillende industrieën, van lucht- en ruimtevaart tot sport en bouw. In de wereld van de technische evolutie wordt koolstofvezel nog steeds gebruikt voor nieuwe functies en toepassingen, waardoor het zeker een plaats inneemt als een van de belangrijkste materialen van onze moderne wereld. De mechanische, thermische en chemische eigenschappen van koolstofvezels zijn de redenen waarom ze een van de populairste materialen zijn voor hoogwaardige toepassingen. De aanpassing aan de behoeften, variërend van sterkte tot flexibiliteit en thermische stabiliteit, zal ervoor zorgen dat koolstofvezel nog vele jaren een leider blijft in de materiaalwetenschap.