De många spännande användningsområdena och tillämpningarna av kolfiberkompositer

 

Vad är kolfiberkompositer?

Kompositmaterial består av en förstärkningsfiber inkapslad i ett polymerharts. Det finns ett antal hartsformuleringar och typer av fibrer som används i kompositer, men kolfiber sticker ut som en komponent som finns i många högpresterande produkter. I applikationer där viktminskning samtidigt som man skapar hög hållfasthet har företräde, är kolfiber valet av förstärkning i många avancerade kompositstrukturer.

 

Kolfiber finns i kompositstrukturerna där styrka och låg vikt är en fördel; den finns i-avancerade sportbilar, racerbilar,-högpresterande båtar, flyg- och rymdfordon, medicinsk utrustning och sportutrustning inklusive skidor, snowboards, tennisracketar, golfklubbor och hundratals andra produkter.

 

Applikationer för kolfiberkompositer växer i en takt snabbare än den allmänna ekonomin eftersom behovet av lätta avancerade kompositstrukturer ökar. Ekonomer förutspår en betydande ökning av branschmöjligheter i takt med att tekniken utvecklas och tillämpningarna växer. Intresserad av hur kolfiberkompositer skapar produkter med hög-prestanda eller dess roll för energibesparingar genom viktminskning-? Lär dig mer om användningen av kolfiber och hur du engagerar dig i kompositteknikens framtid.

 

Vad är kolfiber?

Kolfiber, även känd som grafitfiber, är ett starkt, lätt material tillverkat av hundratals individuella kolfilament som är åtta gånger tunnare än ett människohår. Filamenten är sammansatta av kolatomer bundna tillsammans i långa kedjor. I vikt är en kolfiberkomposit fem gånger starkare än stål och dubbelt så styv på grund av dess höga draghållfasthet.

Hur tillverkas kolfiber?

Kolfilament börjar med en akryl-baserad plast som kallas polyakrylnitril (PAN). En process i flera-steg börjar med att värma upp och spinna polyakrylnitrilfibrerna (PAN) till filament. Dessa filament värms sedan upp till ännu högre temperaturer på cirka 3 000 F, genomgår oxidation och karbonisering som tar bort icke-kolelement och riktar in kolatomerna till tätt-packade kristaller. De resulterande kolfibrerna får sedan en ytbehandling, sätts ihop till buntar och slås in i spolar. Dessa fibrer grupperas sedan antingen i större buntar som kallas kol "tow" eller vävs in i tyger.

 

Hur används kolfiber?

Strängarna av kolfiberduk eller vävda tyger är mättade med ett polymerharts, såsom epoxi, och formas till en form. Det härdade hartset kapslar in kolfilamenten och skapar en styv matris i önskad form av produkten. Kombinationen av hartsmatrisen (epoxi) och förstärkningsfibern (kol) skapar ett kompositmaterial. Kännetecknande för kolfiberförstärkta kompositer är låg vikt, styvhet och hög draghållfasthet.

 

Kolfiberns gryning

Kolfiberns historia går till slutet av 1800-talet när Thomas Edison använde kolfibrer som filament för tidiga glödlampsexperiment. Det var dock inte förrän på 1950-talet som kolfibrer producerades som ett material med hög-hållfasthet.

Användningen av kolfiber som en kompositkomponent började 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, skapade fungerande kolfibrer genom att värma rayonsträngar till cirka 3 000 grader F tills de förkolnade. Denna process var föregångaren till den moderna kolfiberproduktionsmetoden. På 1960-talet sågs den första kommersiella produktionen av kolfibrer med den process som utvecklats av Union Carbide. Kolfibrernas potential som kompositförstärkning insågs och Rolls Royce började införliva dem i jetmotorkomponenter.

På 1970-talet drev flygindustrin framsteg inom kompositteknik och tillämpningarna av kolfiber blev bättre dokumenterade och förfinade. Tävlingen var igång för att tillämpa denna teknik på strukturer där viktminskning och ökad styrka var viktigt. Eftersom rå kolfiber kostar mer än andra fiberförstärkningar blev den anpassad till kritiska applikationer där kostnaden var sekundär till prestanda.

På 1980-talet skedde ett betydande uppsving för kolfiberkompositer när dessa material började ta sig in i sportvaruindustrin. Skidor, snowboards, tennisracketar, golfklubbor, fiskespön och cykelramar började innehålla komponenter i kolfiber för sina lätta och-högstyrka egenskaper. I den kommersiella sektorn började bil-, motorracing- och marinindustrin experimentera med kolfiber för att minska fordonsvikten och förbättra prestandan. Samtidigt utvecklade flyg- och försvarstillämpningar det tekniska kunnandet-för tillämpningen av kolfiberkompositer till tillämpningar med högsta prestanda.

På 1990-talet ökade användningen av kolfiberkompositer när tillverkarna hittade sätt att minska kostnaderna och förbättra kvaliteten på kolfibrer. Detta ledde till bredare tillämpningar, bland annat inom bygg- och vindenergisektorerna.

Kolfiber, som en kompositstapelvara, blev mainstream på 2000-talet. Det här materialet var inte längre begränsat till avancerade-applikationer utan användes inom ett brett spektrum av industrier, från hemelektronik till infrastruktur. Under de kommande två decennierna användes avancerade kompositer i allt mer-tillämpningar som Boeing 787 och Airbus A350 flygplan. Bilindustrin har anammat motorracing-inspirerad kompositteknik och avancerade-båtar av alla typer använder kolkompositer som primära strukturer. Tillkomsten av tekniska verktyg som finita elementanalys och beräkningsvätskedynamik driver ständigt-ökande prestanda och tillämpningar för dessa kompositmaterial.

 

Några riktigt coola tillämpningar av kolfiber

Idag dyker det upp regelbundet ansökningar om kolfiberkompositer. Medan kolfiber tidigare var exotiskt och dyrt, kan du nu hitta kolfiber i ett stort antal industrier och produkter som:

 

Marin

Kolfiberkompositer har varit stöttepelaren i-högpresterande racingfarkoster i flera decennier. America's Cup-båtar är exempel på att ta tekniken till det yttersta, med kolfiberstrukturer som konkurrerar med flygkonstruktioner. Produktionsbåtar integrerar alltmer kolfiber i vakuuminfusionsbearbetning med målet att producera ett lättare och snabbare farkost.

 

Bil

Kolfiber har antagits alltmer inom biltillverkning. Dessa material användes först i Formel 1- och Indy-bilar, som var tidiga användare av flygteknik. Det sipprade sedan ner till exotiska-sportbilar och håller för närvarande på att bli produktionsbilar. "Lightweighting" är ett viktigt mål för bildesign för att förbättra prestanda och minska miljöpåverkan. NASCAR gick nyligen över till kompositkarosser för bilar i Cup-serien. Dessa nya karosser har visat sig vara så tuffa att det har ändrat stilen på racing eftersom bilarna kan tolerera större missbruk.

 

Transport

Lastbilsindustrin har använt kompositkomponenter i årtionden för att förbättra aerodynamiken och bränsleekonomin. Det pågår en revolution inom tunga lastbilsdesign som kommer att införliva kraftigt förbättrad aerodynamik och minskad vikt. Dessa innovationer är baserade på kompositkomponenter och design för att minska aerodynamiskt motstånd. Det uppskattas att nya konstruktioner gjorda med slanka lätta kompositkomponenter kan resultera i bränslebesparingar på uppemot 50 miljarder dollar per år.

 

Flygplan, rymd och försvar

Ser man över hela spektrumet från kommersiella flygplan, militära flygplan, bärraketer och orbitala rymdfarkoster, spelar kolfiberkompositer en allt viktigare roll för att uppnå prestandamål. Composites engineering har utvecklats väl på dessa arenor och pågående innovationer tillkännages rutinmässigt. Enorma mängder kolfiber har allokerats för klassificerade militär- och försvarsprojekt för avancerad teknologi. På den kommersiella arenan håller dussintals elektriska flygplan för vertikalt start-(VTOL) just nu att bli certifierade eller under utveckling. Alla dessa nya flygplan använder kolkompositer som ett primärt strukturellt material.

 

Sportartiklar

Kolfiberkompositer finns över hela sportvaruvärlden på grund av dess styrka och låga vikt. Detta inkluderar: hockeyklubbor, tennisracketar, bågskyttebågar, golfklubbor och fiskestänger, skidor, snowboards, wakeboards, kiteboards och foliebrädor. Alla använder kolfiber tillsammans med roddskal och cyklar.

 

Medicin

Det medicinska området är en annan bransch där kolfiber har haft ett betydande genomslag de senaste åren. Kolfiber är genomskinligt i röntgenbilder, vilket har lett till att det används i ett brett utbud av röntgen- och bildutrustning. Kolfiber används också i proteser, som är starka, lätta och bekväma att bära och använda.