Die erste Verwendung von Kohlefasern fällt mit Edisons Patent von 1879 zur Verwendung von Kohlefäden in Lampen zusammen. Aber der erste wirkliche Einsatz ist in den späten 1950er Jahren. Die Bedürfnisse der Luft- und Raumfahrtindustrie waren dabei der wichtigste Faktor. Die erste erfolgreiche kommerzielle Anwendung wurde von William Watt und seinem Team im Royal Aircraft Establishment in Farnborough, England, durchgeführt.
Die eigentliche Geschichte der Kohlenstofffasern begann in den frühen 1960er Jahren, und die Verwendung von Kohlenstofffasern und ihren Verbundwerkstoffen hat aufgrund ihrer hohen Leistung allmählich zugenommen.
Sowohl Kohlenstoff- als auch Graphitstrukturen bestehen aus dem Element Kohlenstoff als Hauptbaustein. Gemäß der Definition von Textil ist Carbonfaser eine Faser, die mindestens 90 % Kohlenstoff in ihrer Struktur enthält. Kohlenstofffasern mit unterschiedlichen Morphologien und Eigenschaften werden hergestellt, indem eine Vielzahl von Rohstoffen, sogenannte Vorstufen, auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden.
Was von einem Vorläufer erwartet wird, ist, dass die Menge an Kohlenstoffelement, die er enthält, so hoch wie möglich sein sollte, um eine leichte Umwandlung in eine Kohlenstofffaserstruktur sicherzustellen. Führende Materialien sind ein sehr wichtiger Faktor für die Produktionsformen, die Struktur, die Eigenschaften und die Endanwendungen von Kohlenstofffasern.
Klassifizierung von Kohlenstofffasern
Nach Modul:
- Typ mit ultrahohem Modul (UHM): Sie sind Kohlefasern mit einem Modul über 500 Gpa. Ein Beispiel ist der Typ P120 (820 Gpa) von Union Carbide. Diese Faser basiert auf Mezphase-Pitch.
- Typ mit hohem Modul (HM): Kohlenstofffasern mit einem Modul von 300 – 500 Gpa und einem Verhältnis von Festigkeit zu Modul von 5 – 7 · 10-3 gehören zu dieser Gruppe. Das PAN-basierte Modell M50 (500 Gpa) von Toray ist ein gutes Beispiel für diese Gruppe.
- Aufbaumodul (IM): Kohlenstofffasern mit einem Modul von bis zu 300 Gpa und einem Verhältnis von Festigkeit zu Modul von etwa 10-2 gehören zu dieser Gruppe. Ein Beispiel ist der PAN-basierte M30 von Toray (294 Gpa).
- Niedriger Modul (LM): Kohlefasern mit einem Modul von weniger als 100 Gpa fallen in diese Gruppe. Diese Fasern, die eine isotrope Struktur haben, haben im Allgemeinen geringe Festigkeitseigenschaften.
Nach Stärke:
- Ultrahochfest (UHS): Kohlenstofffasern mit einer Festigkeit von mehr als 5 Gpa und einem Festigkeits-/Härteverhältnis von 2 – 3.10-2 gehören zu dieser Gruppe. Ein Beispiel ist das PAN-basierte T1000-Modell von Toray (7.06 Gpa).
- Hochfest (HS): Carbonfasern mit einer Festigkeit von mehr als 3 Gpa und einem Festigkeits-/Härteverhältnis von 1.5 – 2.10-2 gehören zu dieser Gruppe. Das PAN-basierte AS-6-Modell von Hercules (4.14 Gpa) ist ein Beispiel für diese Gruppe.
Nach abschließenden Wärmebehandlungen:
- Kohlefasern mit einer Endtemperatur über 2000 OC: Zu dieser Gruppe gehören Typen mit hohem Modul.
- Kohlefasern mit einer Endtemperatur von etwa 1500 OC: Zu dieser Gruppe gehören hochfeste Typen.
- Kohlefasern mit einer Endtemperatur bis 1000 OC: Typen mit niedrigem Modul und Festigkeit sind in dieser Gruppe enthalten.
Die wichtigsten Vormaterialien bei der Herstellung von Kohlenstofffasern sind Polyacrylnitril (PAN), Zellulosefasern (Viskose - Rayon, Baumwolle) und Strukturen wie Pech. Von 1960 bis 1980 wurden in den USA unterschiedlichste Patente zu unterschiedlichen Herstellungsmöglichkeiten von Carbonfasern je nach Vorstufe erlangt. Es ist am zweckmäßigsten, die Produktionsformen nach dem Vorläuferfasertyp zu trennen, wie unten erläutert.
Herstellung von Kohlenstofffasern auf PAN-Basis
Die heutigen Hightech-Kohlenstofffasern sind aromatische Polymere mit wünschenswerter molekularer Orientierung und Kristallinität, oft auch stickstoffhaltig. Kohlenstofffasern auf PAN-Basis haben viel mehr kommerzielle Aufmerksamkeit auf sich gezogen als andere Vorläufer. Es gibt drei Hauptschritte bei der Herstellung von Kohlefaser aus PAN.
- Oxidative Stabilisierung bei 200 – 300 OC.
- Karbonisierung bei 1000 OC (Es kann bis zu 1500 OC gehen.
- Graphitisierung je nach Fasertyp zwischen 1500 – 3000 OC.
In der ersten Phase wird der PAN-Vorläufer unter Spannung gehalten und bei 200 – 300 OC oxidiert. Dieser Prozess verwandelt das PAN in eine nicht-plastische ringförmige Masse. Watt und Johnson empfahlen für diesen Prozess den Bereich von 150 – 400 OC. Die Bildung dieser Struktur erfolgt in zwei Schritten. Diese Schritte sind Cyclisierung und Dehydrierung.
Während dieser beiden Schritte wird auch die Temperatur allmählich erhöht. Es wird empfohlen, einige Stunden zu warten, bis die Stabilisierung abgeschlossen ist. Der Grund dafür, die Faser straff zu halten, besteht darin, zu verhindern, dass sich die Faser lockert und ihre Orientierung während der Oxidation verliert. Die Dehnung beim Recken kann je nach Herstellungsverfahren variieren.
Ein neueres Patent befürwortet die schnelle Stabilisierung von PAN-Vorläufern. In diesem Patent findet die erste Stufe bei der Temperatur statt, bei der das Material die maximale Plastizität erhält (10 – 50 % Schrumpfung). Die zweite Stufe erfolgt bei 0.01 – 0.2 g/Denier Spannung und bei 200 – 300 °C. Die Gesamtbehandlungszeit beträgt 15 – 60 Minuten (Zeit in Sauerstoffatmosphäre).
Durch den oxidativen Prozess gewinnen die Fasern an Widerstandsfähigkeit gegen Prozesse bei hohen Temperaturen. Nach der Oxidation werden die Fasern bei Temperaturen über 1000 °C spannungsfrei carbonisiert. Während des Carbonisierungsprozesses werden Nicht-Kohlenstoffstrukturen (CHN, NH3, H2) entfernt und eine Struktur erhalten, die etwa die Hälfte des Gewichts des ursprünglichen PAN hat.
Die Karbonisierung besteht aus zwei Stufen. Die Entstickung erfolgt zwischen 400 – 600 OC und die Stickstoffelimination setzt sich bei 700 OC fort und erreicht ihr Maximum bei 900 OC. Bei 1300 OC ist der Stickstoff in der Faser auf einem minimalen Niveau.
Die nach der Karbonisierung erhaltenen Fasern waren nahezu frei von Nichtkohlenstoffstrukturen und es wurde eine graphitartige Struktur gebildet. Bei Wärmebehandlungen über 2500 OC (Graphitisierung) werden Orientierung und Kristallinität in Richtung der Faserachse erhöht.
Produktion von Kohlenstofffasern auf Rayonbasis
Es gibt drei Schritte bei der Herstellung von Kohlenstofffasern aus Viskose.
- Stabilisierung (25 – 400 OC)
- Karbonisierung (400 – 700 OC)
- Graphitisierung (700 – 2700 OC)
Die Stabilisierung ist im Grunde ein Oxidationsprozess und besteht wiederum aus drei Schritten.
- Physikalische Ableitung von Wasser (25 – 150 OC)
- Dehydratisierung der Zellulosestruktur (150 – 240 OC)
- Grundlegendes Aufbrechen von Ringbindungen, Bildung von C – C Bindungen anstelle von Ether C – O Bindungen und Aromatisierung (240 – 400 OC)
Herstellung von Mesophasen-Kohlenstofffasern auf Pechbasis
Wenn die thermodynamische Natur eines Kohlenwasserstoffgemisches bekannt ist, kann es Möglichkeiten geben, eine Vielzahl von Kohlenstofffasern herzustellen. Auch die Herstellung von Kohlefaser aus einigen Bestandteilen des Pechs erfolgt im Rahmen dieser Logik. Es ist möglich, das Pech für die Kohlefaserherstellung mit einem geeigneten Lösungsmittelsystem vorzubereiten. Aromatische Peche mit hohem Molekulargewicht sind im Allgemeinen von anisotroper Natur. Zu diesen Mesophase wird genannt. Nach dem Anziehen werden die Mesophasenmoleküle orientiert und parallel zur Faserachse gemacht, und es wird eine thermodynamisch robuste Struktur erhalten. Vor der eigentlichen Umwandlung wird das Pech zur zu ziehenden Faser. Die allgemeinen Verfahren dieser Herstellung sind jeweils wie folgt.
- Handelspech => Mesophasenpolymerisation
- Schmelzschießen
- Stabilisierung in Luft
- Verkohlung
- Graphitisierung
Der Pechvorläufer wird durch Wärmebehandlung bei 350°C in Mesophasenpech umgewandelt. Diese Struktur umfasst sowohl isotrope als auch anisotrope Strukturen. Nach der Extraktion wird der isotrope Teil bei einer Temperatur unter dem Erweichungspunkt injizierbar. Danach wird die Faser bei 1000 OC karbonisiert. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass während der Stabilisierungs- und Graphitisierungsphase kein Recken erforderlich ist.
Die Struktur der Kohlefaser wurde durch Röntgen- und Elektronenmikroskopieverfahren aufgedeckt. Im Gegensatz zu Graphit hat Kohlefaser keine regelmäßige dreidimensionale Struktur. Generell bedeutet die hohe Festigkeit der PAN-Faser, dass die herzustellende Carbonfaser auch langlebig sein sollte. Die Festigkeit des PAN-Vorläufers fällt während der ersten Stufe des Oxidationsprozesses drastisch ab, und die Dehnungsrate nimmt zuerst zu und dann ab. Die Orientierung steigt signifikant mit der Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur während der Karbonisierung. Nach der Karbonisierung gibt es einen ernsthaften Anstieg des Elastizitätsmoduls der Faser. Auch die Hüllen- und Kernstrukturen der Faser haben einen großen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften. Wenn eine moderate Stabilisierung angewendet wird, steigen der Modul und die Festigkeit signifikant mit der Karbonisierung unter Zug. In einer Hochmodulfaser sollten die Kristalle in Faserrichtung in Schichten angeordnet sein.
Die allgemeinen Anwendungsbereiche von Kohlefaser sind wie folgt.
- Luft- und Raumfahrtindustrie
- Automobil
- Sportausrüstung
- Navigation
- Allgemeine technische Anwendungen
Die Hauptgründe für die Verwendung von Kohlenstofffasern in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind wie folgt.
- Bezogen auf das Gewicht ist die spezifische Festigkeit von Carbonfasern etwa siebenmal höher als die von Metallen und ihre Bruchfestigkeit etwa fünfmal höher.
- Ihre Neigung zur Temperaturausdehnung ist sehr gering.
- Es hat eine bessere Dauerfestigkeit als Stahl und Aluminium.
- Sie sind im Hinblick auf das Leistungs-/Kostenverhältnis sehr vorteilhaft.
Kohlenstofffasern werden bei entsprechender Festigkeit und Steifigkeit zu einem unverzichtbaren Material für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Teile aus Kohlenstofffasern sind etwa 30 % leichter als Teile aus Ersatzmetallen.
Die größten Vorteile von Kohlenstofffasern sind ihre Steifheit und ihre Neigung zur Nichtausdehnung. Darüber hinaus können Kohlefaserverbundwerkstoffe als sehr gute Wärmedämmelemente eingesetzt werden. Ein Beispiel für solche Anwendungen ist die Isolierung der Zündabschnitte von Flugzeugen und Raumfähren.
In der Sportindustrie haben Kohlenstofffasern ein breites Anwendungsspektrum wie Tennisschläger, Hockeyschläger, Skier, Angelruten, Rennwagen, Fahrräder, Rennmotoren. Der größte Gewinn bei diesen Anwendungen ist Stärke und Leichtigkeit.
Auch die chemische Beständigkeit von Carbonfasern liegt auf einem guten Niveau. Dies verleiht der Faser eine gute Korrosionsbeständigkeit. Daher werden Kohlenstofffasern auch beim Bau von Chemikalien- und Kraftstofftanks verwendet.
Die biologische Verträglichkeit von Carbonfasern ist besser als bei jedem anderen Material. Kohlenstofffasern sind sehr gut verträglich mit Weichteilen, Blut und Knochen. Daher werden Carbon-Verbundwerkstoffe in der Prothetik und bei Knochentransplantationen verwendet.
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