Unter vielen Materialien wird Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Festigkeit, spezifischen Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt.
Die unterschiedlichen Eigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen und Metallwerkstoffen bieten Ingenieuren auch unterschiedliche Designideen.
Im Folgenden wird ein einfacher Vergleich zwischen Kohlefaserverbundwerkstoffen und traditionellen Metalleigenschaften und -unterschieden gegeben.
1. Spezifische Steifigkeit und spezifische Festigkeit
Im Vergleich zu Metallmaterialien weisen Kohlefasermaterialien ein geringes Gewicht, eine hohe spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit auf.Der Modul von harzbasierten Kohlenstofffasern ist höher als der von Aluminiumlegierungen, und die Festigkeit von harzbasierten Kohlenstofffasern ist viel höher als die von Aluminiumlegierungen.
2. Designbarkeit
Metallische Werkstoffe sind in der Regel alle vom gleichen Geschlecht, es gibt ein Fließ- oder bedingtes Fließphänomen.Und die einlagige Kohlefaser weist eine offensichtliche Richtwirkung auf.
Die mechanischen Eigenschaften entlang der Faserrichtung sind 1 bis 2 Größenordnungen höher als diejenigen entlang der vertikalen Faserrichtung sowie die Längs- und Querschereigenschaften, und die Spannungs-Dehnungs-Kurven sind vor dem Bruch linear elastisch.
Daher kann das Kohlefasermaterial durch die Laminierplattentheorie den Verlegewinkel, das Verlegeverhältnis und die Verlegereihenfolge der Einzelschicht auswählen.Entsprechend den Eigenschaften der Lastverteilung können Steifigkeit und Festigkeit durch Design erreicht werden, während herkömmliche Metallmaterialien nur verdickt werden können.
Gleichzeitig können die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit in der Ebene sowie die einzigartige Kopplungssteifigkeit in der Ebene und außerhalb der Ebene erreicht werden.
3. Korrosionsbeständigkeit
Im Vergleich zu Metallmaterialien weisen Kohlefasermaterialien eine starke Säure- und Alkalibeständigkeit auf.Kohlenstofffasern sind eine mikrokristalline Struktur ähnlich einem Graphitkristall, die durch Graphitisierung bei einer hohen Temperatur von 2000–3000 °C entsteht und eine hohe Beständigkeit gegen mittlere Korrosion in bis zu 50 %iger Salzsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure aufweist. Festigkeit und Durchmesser bleiben grundsätzlich unverändert.
Daher bietet Kohlefaser als Verstärkungsmaterial eine ausreichende Garantie für die Korrosionsbeständigkeit, während die Korrosionsbeständigkeit verschiedener Matrixharze unterschiedlich ist.
Wie das übliche kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharz weist das Epoxidharz eine bessere Witterungsbeständigkeit auf und behält dennoch seine Festigkeit gut bei.
4. Anti-Ermüdung
Die Druckspannung und das hohe Dehnungsniveau sind die Hauptfaktoren, die die Ermüdungseigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen beeinflussen.Die Ermüdungseigenschaften werden üblicherweise den Ermüdungsversuchen unter Druck (R = 10) und Zugdruck (r = -1) unterzogen, während die metallischen Werkstoffe Zugermüdungsversuchen unter Druck (R = 0,1) unterzogen werden.Im Vergleich zu Metallteilen, insbesondere Teilen aus Aluminiumlegierungen, weisen Kohlefaserteile hervorragende Ermüdungseigenschaften auf.Im Bereich von Automobilchassis usw. haben Kohlefaserverbundwerkstoffe bessere Anwendungsvorteile.Gleichzeitig gibt es bei Kohlefaser nahezu keine Kerbwirkung.Die SN-Kurve des Kerbtests ist während der gesamten Lebensdauer der meisten Kohlefaserlaminate die gleiche wie die des ungekerbten Tests.
5. Wiederherstellbarkeit
Derzeit besteht die ausgereifte Kohlenstofffasermatrix aus duroplastischem Harz, das nach dem Aushärten und Vernetzen nur schwer extrahiert und wieder verwendet werden kann.Daher ist die Schwierigkeit der Kohlenstofffaserrückgewinnung einer der Engpässe der industriellen Entwicklung und auch ein technisches Problem, das für eine großtechnische Anwendung dringend gelöst werden muss.Derzeit sind die meisten Recyclingmethoden im In- und Ausland mit hohen Kosten verbunden und lassen sich nur schwer industrialisieren.Walter Carbon Fiber erforscht aktiv recycelbare Lösungen, hat eine Reihe von Probeproduktionen durchgeführt, der Rückgewinnungseffekt ist gut und die Bedingungen für die Massenproduktion sind gegeben.
Abschluss
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallmaterialien bieten Kohlefasermaterialien einzigartige Vorteile in Bezug auf mechanische Eigenschaften, geringes Gewicht, Designbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit.Allerdings sind seine Produktionseffizienz und seine schwierige Rückgewinnung immer noch die Engpässe für seine weitere Anwendung.Man geht davon aus, dass Kohlenstofffasern im Zuge der technologischen und verfahrenstechnischen Innovation immer häufiger zum Einsatz kommen werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.07.2021