Wie man Kohlefaser herstellt
Kohlefaser ist ein Hochleistungsmaterial, das in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Sportausrüstung und in anderen Bereichen weit verbreitet ist. Der Herstellungsprozess ist komplex und technologieintensiv und umfasst mehrere kritische Schritte. Im Folgenden finden Sie den detaillierten Prozess und die zugehörigen Daten zur Herstellung von Kohlefasern.
1. Herstellungsschritte von Kohlefaser
Die Herstellung von Carbonfasern gliedert sich im Wesentlichen in die folgenden Schritte:
| Schritte | Beschreibung | Schlüsselparameter |
|---|---|---|
| 1. Rohstoffvorbereitung | Als Rohstoff wird meist Polyacrylnitril (PAN) oder Asphalt verwendet | PAN-Reinheit ≥90 % |
| 2. Spinnen | Die Rohstoffe werden aufgelöst und dann durch eine Spinnmaschine geleitet, um Fasern zu bilden. | Spinngeschwindigkeit: 100–500 m/min |
| 3. Voroxidation | Erhitzen auf 200–300 °C zur Stabilisierung der Faser | Zeit: 30-120 Minuten |
| 4. Karbonisierung | Bei hohen Temperaturen (1000–2000 °C) verarbeitet, um Nicht-Kohlenstoff-Elemente zu entfernen | Temperaturgradient: 5-10℃/min |
| 5. Graphitisierung | Weiterverarbeitung bei 2500-3000℃ zur Verbesserung der Festigkeit der Kohlefaser | Zeit: 1-5 Minuten |
| 6. Oberflächenbehandlung | Verbesserung der Haftung zwischen Faser und Harz durch chemische oder physikalische Methoden | Konzentration des Behandlungsmittels: 1-5 % |
| 7. Dimensionierung | Tragen Sie eine Schutzschicht auf, um Faserschäden zu vermeiden | Schlichterate: 0,5–2 % |
2. Schlüsseltechnologien für die Carbonfaserherstellung
Zu den Kerntechnologien der Carbonfaserherstellung gehören:
1.Rohstoffauswahl: PAN-basierte Kohlefasern sind aufgrund ihrer hervorragenden Leistung und ausgereiften Technologie derzeit der Mainstream.
2.Temperaturregelung: Die Temperaturkontrolle in den Voroxidations- und Karbonisierungsstufen wirkt sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften der Faser aus.
3.Oberflächenbehandlung: Durch Oxidation oder Plasmabehandlung wird die Bindungskraft zwischen Faser und Matrix verstärkt.
3. Leistungsdaten von Kohlefaser
Das Folgende ist ein Leistungsvergleich von Kohlefaser und herkömmlichen Materialien:
| Material | Zugfestigkeit (GPa) | Elastizitätsmodul (GPa) | Dichte (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| Kohlefaser | 3,5-7,0 | 230-600 | 1,75-2,00 |
| Stahl | 0,5-2,0 | 200-210 | 7,85 |
| Aluminiumlegierung | 0,3-0,5 | 70-80 | 2,70 |
4. Anwendungsgebiete von Carbonfasern
Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner hohen Festigkeit wird Kohlefaser häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:
1.Luft- und Raumfahrt: Flugzeugrumpf, Satellitenkomponenten usw.
2.Automobilindustrie: Leichtbauteile wie Karosserie und Fahrgestell.
3.Sportgeräte: Golfschläger, Fahrradständer usw.
4.Energiefeld: Rotorblätter von Windkraftanlagen, Wasserstoffspeichertanks usw.
5. Zukünftige Entwicklungstrends der Kohlefaserherstellung
Mit dem technologischen Fortschritt wird die Carbonfaserherstellung die folgenden Trends aufweisen:
1.Kostenreduzierung: Entwicklung kostengünstiger Rohstoffe und Prozesse, um die Preise für Kohlenstofffasern zu senken.
2.Hohe Leistung: Verbesserung der Festigkeit und des Moduls von Fasern durch Nanotechnologie und andere Mittel.
3.Grüne Produktion: Energieverbrauch und Umweltverschmutzung reduzieren und eine nachhaltige Entwicklung erreichen.
Die Herstellung von Kohlenstofffasern ist ein hochspezialisierter Prozess, bei dem multidisziplinäre Techniken kombiniert werden. Mit technologischen Durchbrüchen wird der Anwendungsbereich von Kohlefasern in Zukunft weiter erweitert.
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