Hoe sterk is koolstofvezel? | Ontdek wat dit element zo moeilijk maakt

Indien correct gesynthetiseerd, kan koolstofvezel 10x zo sterk zijn als staal. Hoe sterk is koolstofvezel in zijn basisvorm en hoe kun je de sterkte ervan maximaliseren? We beantwoorden deze vragen en meer in dit bericht!

GERELATEERD :Carbon Fiber Ferrari F430 Scuderia Helm

1. Hoe maak je sterke koolstofvezel?
2. Waarom is koolstofvezel zo sterk?
3. Breekt koolstofvezel gemakkelijk?
4. Is koolstofvezel sterker dan KEVLAR®?
5. Kun je koolstofvezel verbranden?
6. Kan koolstofvezel roesten?
7. Hoe sterk is koolstofvezelfilament?

Hoe maak je sterke koolstofvezel?

Eerst wordt een vel vezel en andere polymeren in een zuurstofvrije ruimte tot zeer hoge temperatuur verhit. Omdat er geen zuurstof is, kan de vezel niet branden, maar wordt hij zo heet dat alleen koolstofatomen overblijven.

Vervolgens wordt de koolstof gestabiliseerd en verkoold. Dit houdt in dat de brandbestendige koolstof in de open lucht tot hoge temperaturen wordt verwarmd, vervolgens in een oven gevuld met chemische gassen (maar geen zuurstof) wordt gedaan en nog verder wordt gekookt.

Ten derde wordt het vel gekoeld en ondergedompeld in verschillende chemische gassen, waaronder zuurstof, om het betere hechtingseigenschappen te geven.

Ten slotte wordt een epoxyharscoating op de plaat aangebracht om de vezels te beschermen tegen beschadiging bij het maken van producten. De samenstelling van de coating varieert op basis van de oorspronkelijke materialen die voor de vezel zijn gebruikt.

Dit is het proces om een ​​enkele koolstofvezelplaat te maken, een extreem sterk bouwmateriaal, maar toch kwetsbaar en in sommige opzichten gemakkelijk te breken. Voor meer informatie over hoe koolstofvezelplaten bijna onbreekbaar worden, zie het onderstaande gedeelte over "Breekt koolstofvezel gemakkelijk?"

Het is belangrijk om te weten dat het maken van sterke koolstofvezel een uiterst complex proces is dat absoluut niet thuis kan worden gedaan.

Bekijk deze video om in te zoomen op koolstofvezel om te zien hoe sterk en hecht de koolstofvezelstrengen worden.

Waarom is koolstofvezel zo sterk?

Koolstofvezel is een van de sterkste materialen op aarde vanwege de kettingachtige bindingen van de moleculen. Deze structuur wordt gecreëerd tijdens alle chemische reacties en extreme temperatuurveranderingen die de vezel doormaakt tijdens het maken.

De processen binden duizenden kleine strengen aan elkaar en mengen ze met een epoxy. Die strengen vormen een laag koolstofvezel, waarvan de sterkte wordt beïnvloed door de precieze oriëntatie van de strengen en de soorten stof die in de laag worden gebruikt.

Een enkele laag koolstofvezel is meestal ongeveer 0,25 mm dik en is helemaal niet erg sterk. In feite is koolstofvezel met die dikte heel gemakkelijk te breken. Dat is misschien contra-intuïtief voor wat u weet over koolstofvezels die sterk zijn, maar de sterkte wordt ook gecreëerd tijdens het stapelen van meerdere lagen door gebruik te maken van de oriëntatie en het weefsel van de vezels, ook wel bekend als de 'lay-up'.

De moleculaire zuiverheid van koolstofvezel helpt het ook om een ​​hechte structuur te ontwikkelen.

Breekt koolstofvezel gemakkelijk?

Het korte antwoord is dat het kan, zoals hierboven beschreven. Het mooie van koolstofvezel is dat je de sterkte en richting van de sterkte kunt bepalen. Als je bijvoorbeeld wilt dat het in de ene richting supersterk is en in de andere richting flexibeler, dan kun je dat doen met een specifiek type stof en lay-out.

Unidirectionele bladen

Om het uit te leggen, stel je een van die houten matten voor die werden gebruikt om sushi te maken. De mat is gemaakt van een stel smalle houten staafjes die evenwijdig aan elkaar lopen en aan elkaar zijn gebonden. Het resultaat is dat het gemakkelijk is om de mat te buigen als je tegen de draad in buigt. Als je echter met de nerf mee buigt, zal de mat helemaal niet gemakkelijk buigen, omdat dat zou betekenen dat je hard genoeg moet buigen om de houten staven te breken.

Koolstofvezelplaten zijn samengesteld uit een reeks parallelle staven, vergelijkbaar met de sushimat. Maar in koolstofvezel zijn de staven gemaakt van behandelde vezels en zijn ze veel sterker dan hout. Hierdoor is het vrij moeilijk om een ​​stuk koolstofvezel te breken als je druk uitoefent in dezelfde richting als de staven. Eén vel staven die in één richting lopen, is vergelijkbaar met een soort koolstofvezelweefsel dat 'unidirectioneel' wordt genoemd, waarbij alle vezels in dezelfde richting lopen.

Stel je nu voor dat je twee sushimatten op elkaar lijmt, waarbij de houten staven van de ondermat de ene kant op gaan en de staven van de bovenmat de andere kant op. Nu ondersteunen de matten elkaar en voorkomen dat ze in beide richtingen buigen.

Met unidirectionele koolstofvezel, terwijl u de lagen materiaal stapelt, kunt u de richting van de sterkte met elke laag regelen. Deze controle van de sterkterichting is een van de voordelen van koolstofvezel. Door meerdere lagen te gebruiken, kunt u het eindproduct zo sterk maken als u nodig heeft voor de gegeven toepassing.

Geweven lakens

In geweven vellen koolstofvezel zijn de filamenten samengeweven als de strengen van een mand om beter bij elkaar te blijven. Er zijn veel verschillende soorten weefsels die om verschillende redenen worden gebruikt. Het kan esthetisch zijn, of het kan gemakkelijker zijn om een ​​bepaald type materiaal in een mal te verwerken, en/of het kan meer sterkte hebben in meerdere richtingen. De soorten stof die worden gebruikt en de richting waarin ze worden geplaatst om de sterkte te regelen, maken allemaal deel uit van de ontwikkeling van de lay-upstrategie.

Ongeacht het type weefsel, een enkel vel geweven vezel zal echter nog steeds vrij zwak zijn, tenzij ze gelaagd zijn.

Stapels koolstofvezelplaten (geweven of unidirectioneel) met afwisselende oriëntaties zijn extreem sterk - tot 18x ​​de sterkte van staal zelfs.

Bekijk deze video om te zien hoe koolstofvezel zo sterk is gemaakt:

Is koolstofvezel sterker dan KEVLAR®?

Koolstofvezel en aramidevezel (KEVLAR® is gewoon een merk van aramidevezel) zijn ongeveer even sterk, hoewel elk zijn voor- en nadelen heeft.

Begrijp eerst dat beide materialen veel dunne vellen van hun respectievelijke stoffen bevatten en alleen echte sterkte bereiken wanneer ze worden verdikt met meerdere lagen geweven vezels.

Zelfs als er veel lagen aan elkaar zijn geweven, is koolstofvezel erg dun en licht. Het is ook extreem sterk, maar heeft moeite om scherpe voorwerpen zoals messen te weerstaan.

KEVLAR® daarentegen is dikker dan koolstofvezel en is moeilijker door te dringen. Omdat het dikker is, is het echter zwaarder en minder flexibel. Het is ook veel minder bestand tegen hitte dan koolstofvezel.

Kun je koolstofvezel verbranden?

Je zou het moeilijk hebben om koolstofvezel te verbranden.

Als je het opwarmt tot 750 graden, zal het heel langzaam branden zolang er een brandende brandstofbron op wordt toegepast. Maar zelfs op dat moment stopt het branden zodra de brandstofbron is verwijderd.

Die beperkte verbranding wordt veroorzaakt door de hars in combinatie met de koolstof in de vezel, omdat koolstof zelf niet brandt. De enige reden dat de vezel verbrandt, is omdat de niet-koolstofcomponenten erin zullen verbranden.

Er zijn verschillende soorten hars die verschillende soorten warmte kunnen ondersteunen. Een typische epoxyhars is goed tot ongeveer 200 graden Fahrenheit, maar een hittebestendige hars is meestal bestand tegen hitte tot 400 graden. Controleer altijd de specificaties van de hars die wordt gebruikt.

Omdat koolstofvezel zo hittebestendig maar toch zo sterk is, wordt het in veel technische toepassingen gebruikt, zoals de gevelbekleding in motoren.

Kan koolstofvezel roesten?

Nee. De hechte bindingen in de koolstofvezel zijn immuun voor oxidatie vanwege de complexe chemische processen die tijdens de productie worden gebruikt. De epoxyharsen die worden gebruikt om de koolstofvezel te beschermen tegen beschadiging, zijn inert, wat betekent dat het bestand is tegen roest en andere vormen van corrosie.

Hoe sterk is koolstofvezelfilament?

Een koolstofvezelfilament is de afzonderlijke snaar die op een koolstofvezelstof wordt gebruikt. Die strengen worden meestal aan elkaar gehecht met behulp van een hars, de RP in CFRP (koolstofvezelversterkte kunststof). Door het gebruikte materiaal te koppelen aan de exacte chemische samenstelling van de koolstofvezel, kunnen ingenieurs iets creëren dat nog duurzamer, sterker en lichter is dan de onderdelen.

In een geweven stof heeft elke streng koolstofvezel normaal gesproken ergens tussen de 1.000 en 12.000 individuele filamenten, minder dan de breedte van een mensenhaar.

Dus hoe sterk is koolstofvezel? Laten we het zo zeggen:er zijn niet veel materialen ter wereld die sterker zijn dan koolstofvezel, vooral niet in de handel verkrijgbaar.

Wilt u de kracht van koolstofvezel in actie zien? Bekijk deze video!

Volgende: