Kohlenstofffaser ist ein Hochleistungsfasermaterial. Der Herstellungsprozess umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:
1.Rohstoffauswahl
Der Hauptrohstoff für Kohlenstofffasern ist Polyacrylnitril, eine synthetische Faser.
Auch einige andere Rohstoffe wie Kohlenpech und Naturfasern können zur Herstellung von Kohlenstofffasern verwendet werden.
2.Spinnen
Der Vorläufer wird mit anderen Materialien gemischt und dann zu Fasern gesponnen.
Anschließend werden die Fasern gewaschen und gestreckt.
3.Stabilisierung
Kohlenstofffasern müssen vor der Karbonisierung chemisch verändert werden, um sie thermisch stabiler zu machen, indem ihre linearen Atombindungen in Leiterbindungen umgewandelt werden. Erhitzen Sie die Fasern etwa 30 Minuten bis 2 Stunden lang in der Luft auf 200-300 Grad. Dieser Erhitzungsprozess zwingt Kohlenstoffatome, Sauerstoffatome aus der Luft aufzunehmen, und ordnet die Moleküle in thermisch stabilere Bindungsmuster um.
Dieser exotherme Prozess muss sorgfältig kontrolliert werden, um eine Überhitzung der Faser zu verhindern. Es gibt verschiedene Methoden zur Stabilisierung von Kohlenstofffasern.
4.Karbonisierung
Nachdem die Faser thermisch stabilisiert ist, wird sie mehrere Minuten lang unter Ausschluss von Sauerstoff auf 1.000-3.000 Grad erhitzt.
Der Sauerstoffmangel verhindert, dass die Fasern bei so hoher Hitze verbrennen. Während dieses Prozesses ist es wichtig, den Luftdruck im Ofen höher zu halten als den Luftdruck außerhalb des Ofens und den Einlass und Auslass der Faser versiegelt zu halten, um zu verhindern, dass Sauerstoff in den Ofen gelangt.
Bei dieser hohen Temperatur stößt die Faser ihre Nicht-Kohlenstoffatome aus und die verbleibenden Kohlenstoffatome bilden fest gebundene Kohlenstoffkristalle.
Diese Kohlenstoffkristalle sind parallel zur Längsachse der Kohlenstofffaser ausgerichtet.
5. Oberflächenbehandlung
Durch den Karbonisierungsprozess erhält die Faser eine glatte Oberfläche, die sich nicht gut mit Epoxidharz und anderen Materialien verbinden kann, die zur Herstellung von Verbundprodukten verwendet werden.
Daher wird die Oberfläche leicht oxidiert. Durch die Oxidation erhält die Oberfläche bessere chemische Bindungseigenschaften und wird gleichzeitig geätzt, sodass Chemikalien besser an der Oberfläche haften bleiben.
Manchmal werden Fasern oxidiert, indem man sie in Gase wie Kohlendioxid, Luft oder Ozon oder in Flüssigkeiten wie Salpetersäure oder Natriumhypochlorit eintaucht. In anderen Fällen wird die Oxidation durch Elektrolyse erreicht, indem man positiv geladene Fasern in ein Bad aus leitfähigem Material taucht.
Unabhängig von der verwendeten Methode zur Oberflächenvorbereitung ist es wichtig, dass diese unter sorgfältiger Aufsicht von Experten durchgeführt wird, um die Entstehung von Oberflächenfehlern zu verhindern, die zu Materialversagen führen könnten.
6.Größenbestimmung
Nach der Oxidation werden die Fasern eingewickelt, um eine Beschädigung beim Aufwickeln auf Spulen oder beim Einweben in Gewebe zu verhindern.
Der Beschichtungsprozess wird als Leimen bezeichnet und das Leimmaterial wird sorgfältig ausgewählt, damit es mit dem Klebstoff kompatibel ist, der zur Bildung der Verbundstruktur verwendet wird.
Beschichtungsmaterialien können Polyester, Nylon, Urethan oder Epoxid sein.
Es ist zu beachten, dass der Herstellungsprozess von Kohlefasern relativ komplex ist und eine strenge Prozesskontrolle und Gerätebedingungen erfordert, um eine gute Leistung und Qualität der Kohlefasern sicherzustellen.
