De mange spændende anvendelser og anvendelser af kulfiberkompositter

 

Hvad er kulfiberkompositter?

Kompositmaterialer består af en forstærkende fiber indkapslet i en polymerharpiks. Der er en række harpiksformuleringer og typer af fibre, der anvendes i kompositter, men kulfiber skiller sig ud som en komponent, der findes i mange højtydende produkter. I applikationer, hvor vægtreduktion og samtidig skabe høj styrke har forrang, er kulfiber valget af forstærkning i mange avancerede kompositstrukturer.

 

Kulfiber findes i kompositstrukturerne, hvor styrke og lav vægt er en fordel; det kan findes i-avancerede sportsvogne, racerbiler,-højtydende både, fly- og rumfartskøretøjer, medicinsk udstyr og sportsudstyr, herunder ski, snowboards, tennisketchere, golfkøller og hundredvis af andre produkter.

 

Ansøgninger om kulfiberkompositter vokser i et tempo hurtigere end den generelle økonomi, efterhånden som behovet for lette avancerede kompositstrukturer stiger. Økonomer forudser en betydelig stigning i industriens muligheder, efterhånden som teknologien udvikler sig og applikationerne vokser. Er du interesseret i, hvordan kulfiberkompositter skaber-højtydende produkter, eller dets rolle i energibesparelser gennem vægt-reduktion? Lær mere om brugen af ​​kulfiber, og hvordan du bliver involveret i fremtiden for kompositteknologi.

 

Hvad er kulfiber?

Kulfiber, også kendt som grafitfiber, er et stærkt, let materiale fremstillet af hundredvis af individuelle kulfilamenter, der er otte gange tyndere end et menneskehår. Filamenterne er sammensat af kulstofatomer bundet sammen i lange kæder. Efter vægt er en kulfiberkomposit fem gange stærkere end stål og dobbelt så stiv som følge af dens høje trækstyrke.

Hvordan laves kulfiber?

Kulfilamenter begynder med en akryl-baseret plast, kendt som polyacrylonitril (PAN). En proces med flere-trin begynder ved at opvarme og spinde polyacrylonitril (PAN)-fibrene til filamenter. Disse filamenter opvarmes derefter til endnu højere temperaturer på omkring 3.000 F, undergår oxidation og karbonisering, der fjerner ikke-kulstofelementer og justerer kulstofatomerne i tæt-pakkede krystaller. De resulterende kulfibre får derefter en overfladebehandling, samles til bundter og pakkes ind i spoler. Disse fibre er derefter enten grupperet i større bundter kendt som carbon "tow" eller vævet ind i stoffer.

 

Hvordan bruges kulfiber?

Strengene af kulfiberslæb eller vævede stoffer er mættede med en polymerharpiks, såsom epoxy, og formet til en form. Den hærdede harpiks indkapsler kulfilamenterne og skaber en stiv matrix i den ønskede form af produktet. Kombinationen af ​​harpiksmatricen (epoxy) og forstærkningsfiberen (carbon) skaber et kompositmateriale. Kendetegnet ved kulfiberforstærkede kompositter er let vægt, stivhed og høj trækstyrke.

 

The Dawn of Carbon Fiber

Kulfiberens historie går tilbage til slutningen af ​​det 19. århundrede, hvor Thomas Edison brugte kulfibre som filamenter til tidlige pæreeksperimenter. Det var dog først i 1950'erne, at kulfibre blev produceret som et materiale med høj-styrke.

Brugen af ​​kulfiber som en kompositkomponent begyndte i 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, skabte brugbare kulfibre ved at opvarme tråde af rayon til omkring 3.000 grader F, indtil de forkulledes. Denne proces var forløberen for den moderne kulfiberproduktionsmetode. 1960'erne oplevede den første kommercielle produktion af kulfibre ved hjælp af processen udviklet af Union Carbide. Kulfibres potentiale som kompositforstærkning blev anerkendt, og Rolls Royce begyndte at inkorporere dem i jetmotorkomponenter.

I 1970'erne drev luftfartsindustrien fremskridt inden for kompositteknologi, og anvendelserne af kulfiber blev bedre dokumenteret og raffineret. Løbet var i gang for at anvende denne teknologi til strukturer, hvor det var vigtigt at reducere vægten og øge styrken. Fordi rå kulfiber koster mere end andre fiberforstærkninger, blev den tilpasset til kritiske applikationer, hvor omkostningerne var sekundære i forhold til ydeevnen.

I 1980'erne skete der et betydeligt løft til kulfiberkompositter, da disse materialer begyndte at trænge ind i sportsudstyrsindustrien. Ski, snowboards, tennisketchere, golfkøller, fiskestænger og cykelstel begyndte at indeholde kulfiberkomponenter for deres lette og høje-styrkeegenskaber. I den kommercielle sektor begyndte bil-, motorsports- og marineindustrien at eksperimentere med kulfiber for at reducere køretøjets vægt og forbedre ydeevnen. Samtidig fremmede rumfarts- og forsvarsapplikationer den tekniske viden- til anvendelsen af ​​kulfiberkompositter til de højeste ydeevne applikationer.

I 1990'erne voksede brugen af ​​kulfiberkompositter, efterhånden som producenter fandt måder at reducere omkostningerne og forbedre kvaliteten af ​​kulfiber. Dette førte til bredere anvendelser, herunder i bygge- og vindenergisektoren.

Kulfiber, som et kompositmateriale, blev mainstream i 2000'erne. Dette materiale var ikke længere begrænset til avancerede-applikationer, men blev brugt i en lang række industrier, fra forbrugerelektronik til infrastruktur. I løbet af de næste to årtier blev avancerede kompositmaterialer brugt i applikationer med stigende-profiler såsom Boeing 787 og Airbus A350-flyene. Bilindustrien har adopteret-motorracer-inspireret kompositteknologi, og high-både af alle typer bruger kulstofkompositter som primære strukturer. Fremkomsten af ​​tekniske værktøjer såsom finite element-analyse og beregningsvæskedynamik driver stadig{11}}øgende ydeevne og applikationer til disse kompositmaterialer.

 

Nogle virkelig seje anvendelser af kulfiber

I dag opstår der regelmæssigt ansøgninger om kulfiberkompositter. Mens kulfiber tidligere var eksotisk og dyrt, kan du nu finde kulfiber i en lang række industrier og produkter som:

 

Marine

Kulfiberkompositter har været grundpillen i-højtydende racerfartøjer i adskillige årtier. America's Cup-både er eksempler på at tage teknologien til det yderste, med kulfiberstrukturer, der konkurrerer med rumfartskonstruktion. Produktionsbåde integrerer i stigende grad kulfiber i vakuuminfusionsbehandling med det formål at producere et lettere og hurtigere fartøj.

 

Automotive

Kulfiber er i stigende grad blevet brugt i bilfremstilling. Disse materialer fandt først anvendelse i Formel 1- og Indy-biler, som var tidlige brugere af rumfartsteknologi. Derefter sivede det ned til eksotiske high-sportsvogne og er i øjeblikket på vej ind i produktionsbiler. "Lightweighting" er et vigtigt mål for bildesign for at forbedre ydeevnen og reducere miljøpåvirkningen. NASCAR er for nylig overgået til kompositkarosserier til Cup Series-bilerne. Disse nye karosserier har vist sig at være så hårde, at det har ændret racerstilen, fordi bilerne kan tolerere større misbrug.

 

Transport

Lastbilindustrien har brugt kompositkomponenter i årtier for at forbedre aerodynamik og brændstoføkonomi. Der er en afventende revolution inden for design af tunge lastbiler, der vil inkorporere stærkt forbedret aerodynamik og reduceret vægt. Disse innovationer er baseret på kompositkomponenter og design for at reducere aerodynamisk modstand. Det anslås, at nye designs lavet med slanke letvægtskompositkomponenter kan resultere i brændstofbesparelser på op til 50 milliarder dollars om året.

 

Fly, rumfart og forsvar

Ser man på tværs af spektret fra kommercielle fly, militærfly, løfteraketvogne og orbitale rumfartøjer, spiller kulfiberkompositter en stadig vigtigere rolle i opfyldelsen af ​​ydeevnemål. Composites engineering er blevet veludviklet på disse arenaer, og løbende innovationer annonceres rutinemæssigt. Enorme mængder kulfiber er blevet allokeret til klassificerede militær- og forsvarsprojekter med avanceret teknologi. På den kommercielle arena er snesevis af elektriske-elektriske fly med lodret start (VTOL) lige nu ved at blive certificeret eller under udvikling. Alle disse nye fly bruger kulstofkompositter som et primært strukturelt materiale.

 

Sportsartikler

Kulfiberkompositter findes over hele verden af ​​sportsudstyr på grund af dets styrke og lette vægt. Dette omfatter: hockeystave, tennisketchere, bueskydningsbuer, golfkøller og fiskestænger, ski, snowboards, wakeboards, kiteboards og foliebrætter. Alle bruger kulfiber sammen med roskaller og cykler.

 

Medicin

Det medicinske område er en anden industri, hvor kulfiber har haft en betydelig indflydelse i de seneste år. Kulfiber er gennemsigtigt i røntgenbilleder, hvilket har ført til, at det bruges i en lang række røntgen- og billedbehandlingsudstyr. Kulfiber bruges også i lemmerproteser, som er stærke, lette og behagelige at have på og bruge.