Koolstofvezel Uitgelegd: Eigenschappen, Toepassingen en 3D-printapplicaties

Koolstofvezel, ook wel grafietvezel of koolstofgrafiet genoemd, is een vaste favoriet in diverse sectoren geworden, en niet voor niets. We geven het niet allemaal weg in de intro: lees verder om te ontdekken wat dit materiaal is, de verschillende typen en waarvoor het gebruikt wordt.

Wat Is Koolstofvezel?

Koolstofvezel is een stofmat gemaakt van geweven vezels en wordt geclassificeerd als zowel een composiet als vezelversterkt plastic. Het bestaat voor 90% uit polyacrylonitriel (de koolstofvoorloper) en 10% andere voorlopers, zoals pik of cellulose. Dit materiaal wordt gemaakt door carbonisatie, oxidatie of grafitisatie. Het wordt eerst in de vereiste vorm gesneden, geïmpregneerd met hars, en vervolgens in een van de bovengenoemde methoden verwerkt. Na uitharding is het resultaat een lichtgewicht en ongelooflijk sterk materiaal met een indrukwekkende sterkte-gewichtsverhouding.

Deze vezelsoort zijn hoge hittestabiliteit was wat Sir Joseph Wilson Swan inspireerde om het in 1860 te gebruiken voor een gloeilamp. Toen waren koolstofvezelfilamenten nog niet zo sterk als nu, dus toen tungsten op de markt kwam, nam dat vrijwel volledig over in de gloeilampfabricatie. Meer dan 50 jaar ging er voorbij zonder dat koolstofvezel echt voor iets gebruikt werd, maar in de jaren 60 werd een sterkere versie uitgebracht, en Rolls-Royce greep het op voor straalmotoren — ondanks de broosheid.

De koolstofvezel die vandaag in de productie gebruikt wordt, heeft een treksterkte van ongeveer 4.000 MPa en een hoge elasticiteitsmodulus van 400 GPa, wat het nuttig maakt voor een heel scala aan toepassingen (niet alleen lampen). Het is bestendig tegen creep, vermoeiding, chemicaliën en corrosie, evenals onbrandbaar en niet-giftig. Met de juiste behandeling kan het elektrisch geleidend zijn.

Dit materiaal is berucht duur. Het is zowel lichter als sterker dan staal, maar de hoge kosten weerhouden fabrikanten ervan het te gebruiken tenzij absoluut noodzakelijk (soort van die dure geur die je spaart voor speciale gelegenheden). Maar nu is de prijs van koolstofvezel gedaald, en het gebruik gestegen! Koolstofvezel's dagen van wachten op hoogprofiele taken zijn voorbij; het wordt nu gemaakt in gereedschappen en bevestigingen, veren en draden, en kan zelfs gebruikt worden om banden te versterken.

Wat Is De Andere Term Voor Koolstofvezel?

Koolstofvezel kan ook worden aangeduid als grafietvezel of koolstofgrafiet. Het kan worden aangeduid onder de parapluviermen composiet of vezelversterkt plastic. De term composiet wordt gebruikt om een materiaal te beschrijven dat een matrix en versterking heeft. In het geval van koolstofvezel is de vezel de versterking en de hars de matrix. Vezelversterkt plastic wordt gebruikt om glasvezel en aramide composieten alsook koolstofvezel te beschrijven.

Wanneer Is Koolstofvezel Uitgevonden?

Koolstofvezels werden voor het eerst in 1860 gecreëerd door Sir Joseph Wilson Swan voor gebruik in een gloeilamp omdat deze vezels een zeer hoge hittestabiliteit hadden. Echter, koolstofvezelfilamenten waren toen niet erg sterk. Dus toen tungsten begon te worden gebruikt in gloeilampen, had koolstofvezel geen nut meer voor meer dan 50 jaar. Dan, in de jaren 60, konden sterkere koolstofvezels geproduceerd worden voor gebruik in straalmotoren door Rolls-Royce. Echter, door de broze eigenschappen van koolstofvezel, was het gebruik lange tijd beperkt. Sindsdien is de koolstofvezelproductie veel effectiever geworden. Koolstofvezel vandaag heeft een treksterkte in het bereik van 4.000 MPa en een modulus van 400 GPa wat veel meer toepassingen heeft geopend voor het gebruik.

Waarsuit Is Koolstofvezel Gemaakt?

De oxidatie, carbonisatie en grafitisatie van de koolstofvoorloper polyacrylonitriel maken 90% van het koolstofvezelmateriaal uit. De andere 10% van voorlopers zijn afkomstig van pik of cellulose.

Wat Zijn De Eigenschappen Van Koolstofvezel?

De niet-mechanische eigenschappen van koolstofvezel zijn:

1. Elektrisch geleidend
2. Corrosiebestendig
3. Onbrandbaar
4. Niet-giftig

Wat Zijn De Mechanische Eigenschappen Van Koolstofvezel?

De mechanische eigenschappen van koolstofvezel omvatten:

1. Lichtgewicht
2. Hoge sterkte
3. Creep-bestendig
4. Vermoeidingsbestendig
5. Hoge modulus
6. Broosheid

Het aantal keren dat een vezel over en onder andere vezels gaat heet de crimp, en hoe hoger de crimp, doorgaans, des te hogere de stabiliteit. Maar hoge-crimp koolstofvezel betekent dat het materiaal niet erg flexibel zal zijn (bekend als de drapabiliteit) om ingewikkelde vormen of geometrieën te vormen.

Hoe Sterk Is Koolstofvezel?

Koolstofvezel is gecategoriseerd in: standaard, intermediair, hoog, en ultra-hoge modulus kwaliteit en varieert van 3,55 GPa treksterkte.

Is Koolstofvezel Zwaar?

Nee, koolstofvezel is niet zwaar. Koolstofvezel is erg lichtgewicht wat een van de twee meest gewenste eigenschappen is, de andere is de sterkte. Het gewicht van koolstofvezel hangt af van het aantal vezels per cm2 en de hars die het bindt. Als voorbeeld, een platte twill weef van koolstofvezel zonder hars weegt 210 g/m2, met een dikte van slechts 0,28 mm. Voor vergelijking, staal heeft een gewicht van 4 kg/m2 voor een dikte van 0,5 mm.

Wat Zijn De Chemische Eigenschappen Van Koolstofvezel?

De chemische eigenschappen van koolstofvezel zijn:

1. Chemisch bestendig
2. Niet-giftig
3. Onbrandbaar

Wat Zijn De Verschillende Geavanceerde Toepassingen Van Koolstofvezel?

Vanwege de hoge prijs is koolstofvezel momenteel alleen gebruikt in hoog-presterende toepassingen, een paar daarvan noemen we hieronder.

1. Luchtvaartindustrie

Zijn lage gewicht maakt koolstofvezel geschikt voor vliegtuigromp, staart, neuskegels en rotorbladen. Wanneer deze onderdelen van dit materiaal gemaakt worden, kan het vliegtuiggewicht met maximaal 20% worden verminderd, wat miljoenen dollars aan brandstof bespaart.

2. Sportartikelen

Het wordt gebruikt om lichtere, sterkere en sneller bewegende tennisrackets, ski's, snowboards, fietsen en golfclubs te maken. Wees er maar op voorbereid om veel meer te betalen voor koolstofvezelsportapparatuur.

3. Medische Apparaten

Röntgenapparaten en implantaten worden van koolstofvezel gemaakt, hoofdzakelijk omdat het radiolucent is (Röntgenstralen kunnen er gemakkelijk doorheen). Het is ook slijtvaste en heeft een vergelijkbare stijfheid met menselijk bot. In tegenstelling tot het metaal dat in sommige implantaten gebruikt wordt, is koolstofvezel broos en kan het splijten.

4. Energieslagsystemen

Plannen voor koolstofvezel batterijopslagsysteem zijn in uitvoering, wat het gewicht van elektrische auto's aanzienlijk kan verminderen.

5. Civiele Techniek

Koolstofvezel wordt steeds populairder in bruggen en betonconstructies waar sterkte belangrijker is dan gewicht. Omdat het tot tien keer sterker kan zijn dan staal, wordt het geprefereerd, maar zoals we hebben vastgesteld, is het veel duurder in gebruik.

6. Maritieme Technologie

Naarmate de prijs van koolstofvezel daalt, begint het het gebruik van glasvezel in jachten en kleine boten te vervangen.

7. Militaire en Defensietechnologie

Drones, helikopters, straaljagers en transportvliegtuigen kunnen allemaal met dit materiaal gemaakt worden. Het ontwerp van helmen is de afgelopen jaren veel complexer geworden — wat ze ook zwaarder maakt. Koolstofvezel is hier om de dag te redden (maar er is nog steeds het probleem van moeilijke schadedetectie).

Een nadeel is iets wat Barely Visible Impact Damage heet. Basis, het is moeilijk om schade op dit materiaal met het blote oog te zien, dus controleren op fouten vereist uitgebreide training en testen. Dit factor beïnvloedt de meeste van de bovenstaande industrieën, maar vooral luchtvaart, energie, maritiem en militair.

Hoe Kan Koolstofvezel Samen Met 3D-printen Worden Gebruikt?

Koolstofvezel is compatibel met 3D-printen. Het kan ofwel gebruikt worden als een continue vezellaag of geprint worden als korte strengen in het filament van een FDM (Fused Deposition Modeling) printer. De printer heeft twee printkoppen nodig als je met een continue vezel wilt printen: één voor het plastic filament en één voor de koolstofvezel. Als je kiest voor het inbedden van gehakte strengen in het filament, kun je de sterkte en stijfheid van geprinten onderdelen verbeteren zonder bankroet te gaan. Het gebruik van dit materiaal in 3D-printen betekent dat je onderdelen kunt maken die voor structurele doeleinden gebruikt kunnen worden omdat ze veel sterker zijn dan de typische PLA en ABS die in 3D-printen gebruikt worden. Met koolstofvezel kunnen onderdelen in sterkte vergeleken worden met materialen zoals aluminium.

De luchtvaartindustrie gebruikt 3D-geprinte koolstofvezelonderdelen tot op zekere hoogte. Vanwege veiligheidsregelgeving moeten nieuwe technologieën of materialen uitgebreide testen en kwalificatie ondergaan voordat ze in de luchtvaart gebruikt worden, maar voor nu is het niet ongebruikelijk om onderdelen voor beugels en gespecialiseerde tooling te vinden gemaakt van 3D-geprinte koolstofvezel. Bedrijven hoeven niet te maken met enorme levertijden.

Veelgestelde Vragen Over Koolstofvezel

Hoe Wordt 3D-printen In De Luchtvaartindustrie Gebruikt Om Koolstofvezel Te Creëren Voor Verschillende Onderdelen?

Momenteel is 3D-printen met koolstofvezel in de luchtvaartindustrie beperkt. Het gebruik van nieuwe materialen en processen vereist een uitgebreide hoeveelheid kwalificatie voordat ze in de luchtvaart gebruikt worden. Echter, veel luchtvaartbedrijven gebruiken 3D-geprinte koolstofvezelonderdelen voor beugels en gespecialiseerde tooling. 3D-printen wordt gebruikt om beperkte productieonderdelen te creëren die anders lange levertijden zouden hebben. Veel reparaties en onderhoudstaken vereisen gespecialiseerde tooling met hoge kosten en lange levertijden. Met 3D-geprinte koolstofvezel worden levertijden en kosten nu ingesnoeid.

Raadpleeg onze volledige gids over 3D-printen in de Luchtvaart voor meer informatie.

Wat Is Het Voordeel Van Koolstofvezel In Vergelijking Met Andere 3D-geprinte Materialen?

Het voordeel van koolstofvezel geprinten onderdelen is de verhoogde sterkte in vergelijking met andere 3D-geprinte materialen. De meeste 3D-geprinte onderdelen zijn gemaakt van PLA of ABS wat relatief zwak is, wat betekent dat de onderdelen niet voor structurele doeleinden gebruikt kunnen worden. Echter, met 3D-geprinte koolstofvezelmaterialen is de sterkte vergelijkbaar met die van aluminium. Dit opent veel toepassingen voor het gebruik van 3D-geprinte onderdelen.

Is Koolstofvezel Sterker Dan Staal?

Ja, koolstofvezel is sterker dan staal bij vergelijking van hun respectieve sterkte-gewichtsverhoudingen. Terwijl zowel staal als koolstofvezel een elasticiteitsmodulus van 200 GPa hebben, is staal vijf keer zwaarder dan koolstofvezel. Deze hoge sterkte-gewichtsverhouding is waarom koolstofvezel preferentieel kan zijn in veel toepassingen.

Is Koolstofvezel Sterker Dan Aluminium?

Ja, koolstofvezel is veel sterker dan aluminium. Aluminium kan tot 570 MPa bereiken terwijl ultra-hoge modulus koolstofvezel een treksterkte kan bereiken boven de 5,5 GPa.

Wat Is Het Verschil Tussen Koolstofvezel En Koolstofvezel 3D-filament?

Zowel traditionele koolstofvezel als 3D-geprinte koolstofvezel voegen sterkte toe en zijn lichtgewicht, maar de toepassingsmethode is heel anders. Traditioneel is koolstofvezel een geweven mat van vezels die een hars toegepast krijgen en dan uitgehard worden. Traditionele koolstofvezel wordt meestal gemaakt in grotere panelen en buisvormige secties maar kan in beugels gemaakt worden. 3D-geprinte koolstofvezel is ofwel gehakt in microstrengen en aan een filament toegevoegd waaruit het in een onderdeel geprint wordt, meestal met complexe geometrie, of wordt geprint als een enkele continue streng in discrete lagen van een 3D-geprind onderdeel.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, editor en content specialist uit het VK met 20+ jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor diverse productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van de techniek. Naast schrijven was Kat bijna 10 jaar paralegal, waarvan zeven in scheepsfinanciering. Ze heeft geschreven voor veel publicaties, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven van Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum