Carbon-fiber-reinforced polymers

Schwanz von a Radio-kontrollierter Hubschrauber, bestehen aus CFK

Kohlefaserverstärkte Polymere (amerikanisches Englisch), Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (Commonwealth English), Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Kohlefaser verstärkte Thermoplastik (CFRP, CRP, CFRTP), auch bekannt als Kohlefaser, Kohlenstoffverbund, oder nur Kohlenstoff, sind extrem stark und leicht Faserverstärkte Kunststoffe Dies enthält Kohlenstofffasern. CFRPs können teuer zu produzieren sein, werden jedoch häufig dort verwendet Stärke-zu-Gewicht-Verhältnis und Steifheit (Starrheit) sind erforderlich, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Aufbauten von Schiffen, Automobile, Bauingenieurwesen, Sportgeräte und immer mehr Verbraucher- und technische Anwendungen.[1]

Die Bindung Polymer ist oft a Thermoset Harz wie Epoxid, aber ein anderer Thermoset oder thermoplastisch Polymere wie z. Polyester, Vinylesteroder Nylon werden manchmal verwendet. Die Eigenschaften des endgültigen CFRP -Produkts können durch die Art der Additive beeinflusst werden, die in die Bindungsmatrix (Harz) eingeführt werden. Der häufigste Additiv ist Kieselsäure, aber andere Zusatzstoffe wie Gummi und Kohlenstoff-Nanoröhren kann verwendet werden.

Kohlefaser werden manchmal als bezeichnet Graphit-verstärktes Polymer oder Graphitfaserverstärkte Polymer (GFRP ist seltener, da es mit zusammenstößt mit Glas- (Faser-) Verstärktes Polymer).

Eigenschaften

CFRP sind Kompositmaterialien. In diesem Fall besteht das Komposit aus zwei Teilen: einer Matrix und einer Verstärkung. In CFRP ist die Verstärkung Kohlefaser, die ihre Festigkeit liefert. Die Matrix ist normalerweise ein Polymerharz wie Epoxid, um die Verstärkungen miteinander zu binden.[2] Da CFRP aus zwei unterschiedlichen Elementen besteht, hängen die materiellen Eigenschaften von diesen beiden Elementen ab.

Verstärkung gibt CFK seine Stärke und Steifheit, gemessen von betonen und Elastizitätsmodul beziehungsweise. nicht wie isotrop Materialien wie Stahl und Aluminium, CFK hat Richtfestigkeitseigenschaften. Die Eigenschaften von CFRP hängen von den Layouts der Kohlefaser und dem Anteil der Kohlenstofffasern relativ zum Polymer ab.[3] Die beiden verschiedenen Gleichungen, die den Netto -Elastizitätsmodul von Verbundwerkstoffen unter Verwendung der Eigenschaften der Kohlenstofffasern und der Polymermatrix, auf Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe angewendet werden.[4] Die folgende Gleichung,

gilt für Verbundwerkstoffe mit den Fasern, die in Richtung der angelegten Last ausgerichtet sind. ist der gesamte zusammengesetzte Modul, und sind die Volumenfraktionen der Matrix bzw. Ballaststoffe im Verbund, und und sind die elastischen Modul der Matrix bzw. Fasern.[4] Der andere extreme Fall des elastischen Moduls des Verbundwerkstoffs mit den Fasern, die transversal an der angelegten Last ausgerichtet sind, finden Sie unter Verwendung der folgenden Gleichung:[4]

Die Frakturzähigkeit von Kohlefaser-verstärkten Kunststoffen wird durch die folgenden Mechanismen bestimmt: 1) Debondonieren zwischen der Kohlefaser und der Polymermatrix, 2) Faserauszug und 3) Delaminierung zwischen den CFRP-Blättern.[5] Typische CFRPs auf Epoxidbasis weisen praktisch keine Plastizität auf, wobei weniger als 0,5% bis zum Versagen der Dehnung sind. Obwohl CFRPs mit Epoxidhöhe einen hohen Festigkeit und einen elastischen Modul aufweisen, stellen die spröde Frakturmechanik den Ingenieuren bei der Ausfalldetektion einzigartige Herausforderungen auf, da ein Versagen katastrophal auftritt.[5] Die jüngsten Bemühungen, CFRPs zu verschärfen, umfassen daher das Modifizieren des vorhandenen Epoxidmaterials und das Auffinden alternativer Polymermatrix. Ein solches Material mit hohem Versprechen ist SPÄHEN, die eine Größenordnung mit ähnlicher elastischer Modul und Zugfestigkeit aufweist.[5] Peek ist jedoch viel schwieriger zu verarbeiten und teurer.[5]

Trotz seiner hohen anfänglichen Stärke zu Gewicht ist eine Konstruktionsbeschränkung von CFK das Fehlen eines definierbaren Verhältnisses Ermüdungsgrenze. Dies bedeutet theoretisch, dass der Stresszyklusversagen nicht ausgeschlossen werden kann. Während Stahl und viele andere strukturelle Metalle und Legierungen schätzbare Ermüdungs- oder Ausdauergrenzen aufweisen, bedeuten die komplexen Fehlermodi von Verbundwerkstoffen, dass die Müdigkeitsausfalleigenschaften von CFRP schwer vorherzusagen und zu gestalten sind. Infolgedessen müssen Ingenieure bei Verwendung von CFRP für kritische zyklische Ladungsanwendungen an erheblichen Sicherheitsmargen gestalten, um eine geeignete Zuverlässigkeit der Komponenten über ihre Lebensdauer zu gewährleisten.

Umwelteffekte wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit können tiefgreifende Auswirkungen auf die auf Polymerbasis basierenden Verbundwerkstoffe haben, einschließlich der meisten CFRPs. Während CFRPs eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweist, kann die Wirkung der Feuchtigkeit auf weite Temperaturbereiche zu einer Abbau der mechanischen Eigenschaften von CFRPs führen, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Matrixfaser.[6] Während die Kohlenstofffasern selbst nicht von der Feuchtigkeit betroffen sind, die in das Material diffundiert, plastizisiert die Feuchtigkeit die Polymermatrix.[5] Dies führte zu signifikanten Änderungen der Eigenschaften, die dominant von der Matrix in CFRPs wie komprimierender, interlaminarer Scherung und Impact -Eigenschaften beeinflusst werden.[7] Die für Motorlüfterschaufeln verwendete Epoxidmatrix ist als Unemplar gegen Strahlkraftstoff, Schmierung und Regenwasser konzipiert, und externe Farbe an den Kompositenteilen wird angewendet, um die Schäden durch ultraviolettes Licht zu minimieren.[5][8]

Kohlenstofffasern können verursachen galvanische Korrosion Wenn CRP -Teile an Aluminium oder Weichstahl befestigt sind, jedoch nicht an Edelstahl oder Titan.[9]

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe sind sehr schwer zu maschinell und verursachen erhebliche Werkzeugverschleiß. Der Werkzeugverschleiß in der CFK -Bearbeitung hängt von der Faserausrichtung und dem Bearbeitungszustand des Schneidvorgangs ab. Um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren, werden verschiedene Arten von beschichteten Werkzeugen zur Bearbeitung von CFK- und CFK-Metallstapel verwendet.[1]

Herstellung

Kohlefaser verstärkte Polymer

Das primäre Element von CFRP ist a Kohlenstofffilament; Dies wird aus einem Vorläufer produziert Polymer wie zum Beispiel Polyacrylnitril (PFANNE), Rayon, oder Erdöl Tonhöhe. Für synthetische Polymere wie Pan oder Rayon ist der Vorläufer zuerst gedreht In Filamentgarnen unter Verwendung chemischer und mechanischer Prozesse, um die Polymerketten zunächst so auszurichten, um die endgültigen physikalischen Eigenschaften der ausgefüllten Kohlefaser zu verbessern. Vorläuferzusammensetzungen und mechanische Prozesse, die bei Spinnfilamentgarnen verwendet werden, können zwischen den Herstellern variieren. Nach dem Zeichnen oder Drehen werden die Polymerfilamentgarnen erhitzt, um nicht Kohlenstoffatome abzutreten (Verkohlung), produzieren die endgültige Kohlefaser. Die Carbonfasern -Filamentgarnen können weiter behandelt werden, um die Handhabungsqualitäten zu verbessern, und dann weiterverwendet werden Spulen.[10] Aus diesen Fasern wird ein unidirektionales Blatt erzeugt. Diese Blätter werden in einem quasi-isotropen Layup aufeinander geschichtet, z. 0 °, +60 ° oder –60 ° relativ zueinander.

Aus der Elementarfaser kann ein bidirektionales gewebtes Blatt erstellt werden, d. H. a Köper mit einem 2/2 Gewebe. Der Prozess, durch den die meisten CFRPs durchgeführt werden, variiert je nach zu erzeugtem Stück, das erforderliche Finish (außerhalb des Glanzes) und wie viele des Stücks erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Wahl der Matrix einen tiefgreifenden Einfluss auf die Eigenschaften des fertigen Verbundwerkstoffs haben.

Viele CFRP -Teile werden mit einer einzelnen Schicht Kohlenstoffgewebe erstellt, die mit Glasfaser gesichert ist. Ein Werkzeug namens Chopper -Pistole wird verwendet, um diese zusammengesetzten Teile schnell zu erstellen. Sobald eine dünne Schale aus Kohlefaser entstanden ist, schneidet die Hacker -Pistolen -Rollen aus Glasfaser in kurze Längen und sprühen gleichzeitig Harz, so dass Glasfaser und Harz auf der Stelle gemischt sind. Das Harz ist entweder eine externe Mischung, wobei der Härter und das Harz separat besprüht werden oder gemischt werden, was nach jedem Gebrauch gereinigt werden muss. Herstellungsmethoden können Folgendes umfassen:

Formteil

Eine Methode zur Herstellung von CFRP -Teilen besteht Schimmel in Form des Endprodukts. Die Ausrichtung und das Gewebe der Stofffasern wird ausgewählt, um die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des resultierenden Materials zu optimieren. Die Form wird dann mit gefüllt Epoxid und ist erhitzt oder klimmahl. Der resultierende Teil ist sehr korrosionsresistent, steif und stark für sein Gewicht. Teile, die in weniger kritischen Bereichen verwendet werden Pre-Preg) oder "gemalt" darüber. Hochleistungsteile mit einzelnen Formen werden häufig vakuumbackt und/oder Autoklave-gedeckt, weil selbst kleine Luftblasen im Material die Festigkeit verringern. Eine Alternative zur Autoklavenmethode besteht darin, den inneren Druck über aufblasbare Luftblasen oder durch aufblasbare Luftblasen zu verwenden EPS -Schaum innerhalb der nicht gehärteten Kohlefaser.

Vakuumbacken

Für einfache Stücke, von denen relativ wenige Kopien benötigt werden (1–2 pro Tag), a Staubsaugerbeutel kann verwendet werden. Eine Glasfaser-, Kohlefaser- oder Aluminiumform ist poliert und gewachst und hat a Release -Agent Aufgetragen, bevor das Stoff und das Harz angewendet werden und das Vakuum gezogen und beiseite gelegt wird, damit das Stück heilen kann (Harden). Es gibt drei Möglichkeiten, das Harz in einer Vakuumform auf den Stoff anzuwenden.

Die erste Methode ist manuell und als nasse Layup bezeichnet, wobei das zweiteilige Harz gemischt und aufgetragen wird, bevor er in die Form gelegt und in den Beutel gelegt wird. Der andere wird durch Infusion durchgeführt, wobei der trockene Stoff und die Schimmelpilze in den Beutel gelegt werden . Drahtbreber funktioniert perfekt für ein Röhrchen, das Löcher im Beutel benötigt. Beide Methoden zur Anwendung von Harz erfordern Handarbeit, um das Harz gleichmäßig für ein glänzendes Finish mit sehr kleinen Stiftlöchern zu verteilen.

Eine dritte Methode zum Bau von Verbundwerkstoffen wird als trockenes Layup bezeichnet. Hier ist das Kohlefasermaterial bereits mit Harz (Pre-PREG) imprägniert und wird auf ähnliche Weise wie Kleberfilm auf die Form angewendet. Die Baugruppe wird dann in ein Vakuum gestellt, um zu heilen. Die Trockenlayup -Methode hat die geringste Menge an Harzabfällen und kann leichtere Konstruktionen erreichen als nasse Layup. Da größere Harzmengen mit Nass-Layup-Methoden schwieriger zu bluten sind, haben Pre-PRG-Teile im Allgemeinen weniger Stiftlöcher. Die Eliminierung von Pinhole mit minimalen Harzmengen erfordern im Allgemeinen die Verwendung von Autoklave Druck, die Restgase auszuspülen.

Kompressionsformung

Eine schnellere Methode verwendet a Kompressionsformauch allgemein bekannt als Kohlefaserschmieden. Dies ist eine zwei (männliche und weibliche) oder mehrteilige Form, die normalerweise aus Aluminium oder Stahl und in jüngster Zeit 3D-gedruckter Kunststoff hergestellt wird. Die Formkomponenten werden zusammen mit dem Stoff gedrückt und in den inneren Hohlraum geladen, der letztendlich zur gewünschten Komponente wird. Der Nutzen ist die Geschwindigkeit des gesamten Prozesses. Einige Automobilhersteller wie BMW behaupteten, alle 80 Sekunden einen neuen Teil mit dem Fahrrad zu fahren. Diese Technik hat jedoch sehr hohe Anfangskosten, da die Formen eine CNC -Bearbeitung mit sehr hoher Präzision erfordern.

Filamentwicklung

Für schwierige oder verworrene Formen a Filamentwickler Kann verwendet werden, um CFRP -Teile durch Wickeln von Filamenten um einen Dorn oder einen Kern zu erstellen.

Anwendungen

Anwendungen für CFK enthalten die folgenden:

Raumfahrttechnik

Ein Airbus A350 mit Kohlefasermotiven Lackierung. Verbundwerkstoffe werden im gesamten A350 ausgiebig verwendet.

Das Airbus A350 XWB ist aus 52% CFK gebaut[11] einschließlich Flügelsparen und Rumpfkomponenten, überholen Sie die Boeing 787 Dreamlinerfür das Flugzeug mit dem höchsten Gewichtsverhältnis für CFK, was 50%beträgt.[12] Dies war eines der ersten Handelsflugzeuge, das Flügelspars aus Verbundwerkstoffen herstellte. Das Airbus A380 war einer der ersten kommerziellen Fluggesellschaften, die eine zentrale Flügelbox aus CFK haben; Es ist der erste, der einen reibungslos konturierten Flügelquerschnitt hat, anstatt dass die Flügel in Abschnitte verteilt sind. Dieser fließende, kontinuierliche Querschnitt optimiert die aerodynamische Effizienz. Darüber hinaus die Hinterkante zusammen mit dem hinteren Schott, EMPENNAGEund nicht gepresstes Rumpf bestehen aus CFK.[13] Viele Verzögerungen haben jedoch aufgrund der Probleme mit der Herstellung dieser Teile die Bestellverlieferungsdaten zurückgedrängt. Viele Flugzeuge, die CFRP verwenden, haben aufgrund der relativ neuen Prozesse, die zur Herstellung von CFRP -Komponenten verwendet wurden, Verzögerungen mit Abgabedaten, während metallische Strukturen seit Jahren untersucht und an Flugzeugzellen verwendet wurden und die Prozesse relativ gut bekannt sind. Ein wiederkehrendes Problem ist die Überwachung des strukturellen Alterns, für die aufgrund der ungewöhnlichen multimaterialischen und anisotropen Natur von CFRP ständig neue Methoden untersucht werden.[14]

1968 a Hyfile Carbon-Faser-Lüfterbaugruppe war auf der Tätigkeit in Betrieb Rolls-Royce Conways des Vickers VC10s gesteuert von Boac.[15]

Fachflugzeugdesigner und Hersteller Skalierte Verbundwerkstoffe haben während ihrer gesamten Konstruktionsreichweite eine umfassende Nutzung von CFRP verwendet, einschließlich des ersten Raumfahrzeugs für private Besatzung Raumschiff. CFRP wird in großem Umfang verwendet in Mikroluftfahrzeuge (Mavs) wegen seines hohen Festigkeit zu Gewichtsverhältnis.

Fahrzeugtechnik

Citroën SM Das gewann 1971 Rallye von Marokko mit Kohlefaserrädern
1996 McLaren F1 - Erste Kohlefaserkörperhülle
McLaren MP4 (MP4/1), First Carbon Fiber F1 Car.

CFRPs werden im High-End-Automobilrennen ausgiebig eingesetzt.[16] Die hohen Kosten für Kohlefaser werden durch das unübertroffene Verhältnis von Stärke zu Gewicht gemindert, und das niedrige Gewicht ist für Hochleistungs-Automobilrennen unerlässlich. Rennwagenhersteller haben auch Methoden entwickelt, um Kohlefaserstücke in eine bestimmte Richtung zu verleihen, was sie in tragender Richtung stark macht, aber schwach in Richtungen, in denen nur wenig oder gar keine Last auf das Mitglied platziert wird. Umgekehrt entwickelten die Hersteller omnidirektionale Kohlefaserwebs, die Festungen anwenden. Diese Art von Kohlefaserbaugruppe wird am häufigsten in der "Sicherheitszelle" verwendet Monocoque Chassis-Versammlung von Hochleistungs-Rassenwagen. Das erste Monocoque -Chassis von Kohlefasern wurde in eingeführt Formel Eins durch McLaren In der Saison 1981. Es wurde von entworfen von John Barnard und wurde in den folgenden Saisons von anderen F1 -Teams aufgrund der zusätzlichen Starrheit, die dem Fahrgestell der Autos bereitgestellt wurde, weithin kopiert.[17]

Viele Supersportwagen In den letzten Jahrzehnten haben CFK ausgiebig in ihre Herstellung aufgenommen und sie für ihr monocoque Chassis sowie andere Komponenten verwendet.[18] Bereits 1971 die Citroën SM angeboten optional leichte Kohlefaserräder.[19][20]

Die Verwendung des Materials wurde von Herstellern mit niedrigem Volumen leichter übernommen, die es hauptsächlich für die Erstellung von Körperpanels für einige ihrer High-End-Autos aufgrund seiner erhöhten Festigkeit und des verminderten Gewichts im Vergleich zu den nutzten Glasverstärkte Polymer Sie verwendeten für die Mehrheit ihrer Produkte.

Tiefbau

CFRP ist zu einem bemerkenswerten Material in geworden Baustatik Anwendungen. Es wurde in einem akademischen Kontext in Bezug auf seine potenziellen Vorteile im Bauwesen untersucht und hat sich auch in einer Reihe von Feldanwendungen als kostengünstig erwiesen, die Beton-, Mauerwerk-, Stahl-, Gusseisen- und Holzstrukturen stärken. Seine Verwendung in der Industrie kann entweder zum Nachrüsten der vorhandenen Struktur oder als alternatives Verstärkungsmaterial (oder als Stress-) Material anstelle von Stahl von Anfang an ein Projekt dienen.

Nachrüst ist zur zunehmend dominanteren Verwendung des Materials in der Bauingenieur Strukturen. Die Nachrüstung ist in vielen Fällen beliebt, da die Kosten für den Austausch der mangelhaften Struktur die Kosten für die Verstärkung mithilfe von CFRP erheblich überschreiten können.[21]

CFRP wird auf Stahlbetonstrukturen für die Biegung angewendet und hat typischerweise einen großen Einfluss auf die Festigkeit (verdoppelt oder mehr die Stärke des Abschnitts ist nicht ungewöhnlich), sondern nur eine mäßige Steigerung der Steifheit (möglicherweise um 10%). Dies liegt daran, dass das in dieser Anwendung verwendete Material in der Regel sehr stark ist (z. B. 3000 MPa Ultimate Zugfestigkeitmehr als 10 -mal Weichstahl), aber nicht besonders steif (150 bis 250 GPa, etwas weniger als Stahl, ist typisch). Infolgedessen werden nur kleine Querschnittsbereiche des Materials verwendet. Kleine Bereiche mit sehr hoher Festigkeit, aber mittelschwerem Steifigkeitsmaterial erhöhen die Festigkeit erheblich, aber nicht die Steifheit.

CFRP kann auch angewendet werden, um die Scherfestigkeit von Stahlbeton durch Wickeln von Stoffen oder Fasern um den zu gestärkten Abschnitt zu verbessern. Das Wickeln um Abschnitte (z. B. Brücken- oder Gebäudesäulen) kann auch die Duktilität des Abschnitts verbessern und den Widerstand gegen den Zusammenbruch unter Erdbebenbeladung erheblich erhöhen. Eine solche "seismische Nachrüstung" ist die Hauptanwendung in Erdbebenanfällen, da sie viel wirtschaftlicher ist als alternative Methoden.

Wenn eine Säule kreisförmig (oder fast so) ist, wird auch durch Wickeln eine Erhöhung der axialen Kapazität erreicht. In dieser Anwendung verbessert die Einschränkung der CFK -Wrap die Druckfestigkeit des Betons. Obwohl bei der letztendlichen Kollapsbelastung große Erhöhungen erzielt werden, knackt der Beton bei nur geringfügig verbesserter Last, was bedeutet, dass diese Anwendung nur gelegentlich verwendet wird. Spezialister Ultra-High-Modul CFRP (mit Zugmodul von 420 GPa oder mehr) ist eine der wenigen praktischen Methoden zur Stärkung von Gusseisenstrahlen. Bei typischer Verwendung ist es an den Zugflansch des Abschnitts gebunden, wobei sowohl die Steifheit des Abschnitts als auch die Absenkung des Abschnitts erhöht werden. neutrale Achsedamit die maximale Zugspannung im Gusseisen stark reduziert.

In den Vereinigten Staaten machen vorstressende Betonzylinderrohre (PCCP) die überwiegende Mehrheit der Wasserübertragungsnetze aus. Aufgrund ihrer großen Durchmesser sind die Misserfolge von PCCP normalerweise katastrophal und beeinflussen große Populationen. Zwischen 1940 und 2006 wurden etwa 31.000 km PCCP installiert. Korrosion in Form von Wasserstoffverspritzung wurde für die allmähliche Verschlechterung der vorstressenden Drähte in vielen PCCP-Linien verantwortlich gemacht. In den letzten zehn Jahren wurden CFRPs verwendet, um PCCP intern zu lenken, was zu einem vollständig strukturellen Verstärkungssystem führte. In einer PCCP -Linie wirkt der CFRP -Liner als Barriere, das den Spannungsgrad des Stahlzylinders im Wirtsrohr steuert. Mit dem Verbundliner kann der Stahlzylinder innerhalb seines elastischen Bereichs durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die langfristige Leistung der Pipeline beibehalten wird. CFRP -Liner -Designs basieren auf der Dehnungskompatibilität zwischen Liner und Hostrohr.[22]

CFRP ist ein teureres Material als seine Gegenstücke in der Bauindustrie, in Glasfasern verstärkte Polymer (GFRP) und Aramidfaserpolymer (AFRP), obwohl CFRP im Allgemeinen als überlegene Eigenschaften angesehen wird. Es wird weiterhin viel Forschung zur Verwendung von CFRP sowohl zur Nachrüstung als auch als Alternative zu Stahl als Verstärkungs- oder Vorstressmaterial durchgeführt. Die Kosten bleiben ein Problem und es bleibt immer noch langfristige Fragen zur Haltbarkeit. Einige sind besorgt über die spröde Natur von CFK im Gegensatz zur Duktilität von Stahl. Obwohl Institutionen wie das American Concrete Institute Designcodes erstellt wurden, gibt es in der technischen Gemeinschaft weiterhin einige Zögern über die Umsetzung dieser alternativen Materialien. Zum Teil ist dies auf mangelnde Standardisierung und die proprietäre Natur der Faser- und Harzkombinationen auf dem Markt zurückzuführen.

Kohlefaser-Mikroelektroden

Kohlenstofffasern werden zur Herstellung von Kohlenstofffasern verwendet Mikroelektroden. In dieser Anwendung ist typischerweise eine einzelne Kohlefaser mit einem Durchmesser von 5–7 μm in einer Glaskapillare versiegelt.[23] An der Spitze ist die Kapillare entweder mit Epoxidhöhe versiegelt und poliert, um eine Mikroelektrode des Kohlenstofffaserscheibens herzustellen, oder die Faser wird auf eine Länge von 75–150 μm geschnitten, um Kohlefaserzylinderelektrode herzustellen. Kohlefaser-Mikroelektroden werden entweder in verwendet Amperometrie oder Fast-Scan-zyklische Voltammetrie zur Erkennung biochemischer Signalübertragung.

Sportartikel

Ein Kohlefaser und Kevlar Kanu (Placid Boatworks Rapidfire am Adirondack Canoe Classic)

CFRP wird jetzt häufig bei Sportgeräten wie in Squash, Tennis und Badminton -Schläken eingesetzt. Sport Kite Spars, hochwertige Pfeilwellen, Hockeystangen, Angelruten, Surfbretter, High -End -Schwimmflossen und Rudern Muscheln. Amputiertesportler wie Jonnie Peacock Verwenden Sie Kohlefaserblätter zum Laufen. Es wird in einigen als Schaftplatte verwendet Basketball Turnschuhe, um den Fuß stabil zu halten und normalerweise die Länge des Schuhs direkt über der Sohle zu laufen und in einigen Bereichen, normalerweise im Bogen, freigelassen zu lassen.

Um kontrovers wurden im Jahr 2006 Cricket-Fledermäuse mit einer dünnen Kohlefaserschicht auf der Rückseite eingeführt und in Wettbewerbsspielen von hochkarätigen Spielern einschließlich dessen verwendet Ricky Ponting und Michael Hussey. Die Kohlefaser wurde behauptet, lediglich die Haltbarkeit der Fledermäuse zu erhöhen, aber sie wurde von allen erstklassigen Spielen von den verboten ICC in 2007.[24]

Ein CFRP Fahrradrahmen wiegt weniger als einen aus Stahl, Aluminium oder Titan die gleiche Stärke haben. Die Art und Ausrichtung des Kohlenstofffasergewebes kann so ausgelegt werden, dass die Steifheit in den erforderlichen Richtungen maximiert wird. Frames können so eingestellt werden, dass sich verschiedene Reitstile angehen: Sprint -Events erfordern steifere Rahmen, während Ausdauerereignisse über längere Zeiträume möglicherweise flexiblere Rahmen für Fahrerkomfort erfordern.[25] Die Vielfalt der Formen, in die sie eingebaut werden kann aerodynamisch Rohrabschnitte. CFRP Gabeln einschließlich Aufhängungsgabelkronen und Steuern, Lenker, Sattelstützen, und Kurbelarme sind auf mittleren und höherpreisigen Fahrrädern immer häufiger. CFRP Felgen Bleiben teuer, aber ihre Stabilität im Vergleich zu Aluminium verringert die Notwendigkeit, ein Rad erneut zu treten, und die reduzierte Masse verringert die Trägheitsmoment des Rades. CFK -Speichen sind selten und die meisten Kohlenstoffräder behalten herkömmliche Edelstahl -Speichen. CFRP erscheint auch zunehmend in anderen Komponenten wie Umwertzeteilen, Brems- und Schalthebel und Körpern, Kassettenfahrzeugen, Federbindungen, Scheibenbremsrotoren, Pedalen, Schuhsohlen und Sattelschienen. Obwohl stark und Licht, Auswirkungen, Übertakte oder unsachgemäße Installation von CFRP-Komponenten zu Rissen und Ausfällen geführt haben, die schwer oder unmöglich zu reparieren sind.[26][27]

Andere Anwendungen

Dunlop "Max-Grip" carbon fiber guitar picks. Sizes 1mm and Jazz III.
Dunlop "Max-Grip" Carbonfasergitarren-Picks. Größen 1mm und Jazz III.

Die Brandresistenz von Polymeren und Thermo-Set-Verbundwerkstoffen wird erheblich verbessert, wenn eine dünne Schicht von Kohlenstofffasern in der Nähe der Oberfläche geformt wird, da eine dichte, kompakte Schicht von Kohlenstofffasern die Wärme effizient widerspiegelt.[28]

CFRP wird in einer zunehmenden Anzahl von High-End-Produkten verwendet, die Steifheit und geringes Gewicht erfordern. Dazu gehören:

  • Musikinstrumente, einschließlich Geigenbögen; Gitarrenpicks, Hälse (Kohlefaserstangen) und Pick-Guards; Trommelschalen; Dudelsack -Chanter; und ganze Musikinstrumente wie z. Luis und ClarkCarbonfaser -Cellos, Bratschen und Geigen; und Blackbird -GitarrenAkustische Gitarren und Ukulelen; Auch Audiokomponenten wie Plattenspieler und Lautsprecher.
  • Schusswaffen verwenden es, um bestimmte Metall-, Holz- und Glasfaserkomponenten zu ersetzen, aber viele der inneren Teile sind immer noch auf Metalllegierungen beschränkt, da die aktuellen verstärkten Kunststoffe ungeeignet sind.
  • Hochleistungs-Drohnenkörper und andere funkgesteuerte Fahrzeug- und Flugzeugkomponenten wie Hubschrauberrotorblätter.
  • Leichte Stangen wie: Stativbeine, Zeltstangen, Angelruten, Billardhinweise, Gehstocks und hochrahlende Stangen wie die Fensterreinigung.
  • Zahnheilkunde, Kohlefaserpfosten werden zur Wiederherstellung des Wurzelkanals behandelten Zähne verwendet.
  • Schimpfzug Bogies für Passagierservice. Dies reduziert das Gewicht um bis zu 50% im Vergleich zu Metall -Bogies, was zu Energieeinsparungen beiträgt.[29]
  • Laptop -Schalen und andere Hochleistungsfälle.
  • Kohlenstoffgewebte Stoffe.[30][31]
  • Bogenschießen, Kohlefaserpfeile und Schrauben, Lager und Schiene.
  • Als Filament für den 3D-Abscheidungsmodellierungsdruckprozess wird mit Kohlefaserverstärkten Kunststoff (Polyamid-Kohlenstoff-Filament) aufgrund seiner hohen Festigkeit und Risslänge zur Herstellung von robusten, aber leichten Werkzeugen und Teilen verwendet.[32]
  • Rehabilitation des Bezirksheizungsrohrs unter Verwendung der CIPP -Methode.

Entsorgung und Recycling

CFRPs haben eine lange Lebensdauer, wenn sie vor der Sonne geschützt sind. Wenn es Zeit ist, CFRPs abzustilligen, können sie nicht wie viele Metalle in Luft geschmolzen werden. Wenn frei von Vinyl (PVC oder Polyvinylchlorid) und andere halogenierte Polymere, CFRPs können durch thermisch zerlegt werden thermische Depolymerisation in einer sauerstofffreien Umgebung. Dies kann in einer Raffinerie in einem einstufigen Prozess erreicht werden. Das Erfassen und Wiederverwenden des Kohlenstoffs und der Monomere ist dann möglich. CFRPs können auch bei niedriger Temperatur gemahlen oder zerkleinert werden, um die Kohlefaser zurückzugewinnen. Dieser Prozess verkürzt jedoch die Fasern dramatisch. Genau wie bei Downcycled Papier, die verkürzten Fasern führen dazu, dass das recycelte Material schwächer ist als das Originalmaterial. Es gibt immer noch viele industrielle Anwendungen, die nicht die Stärke der Kohlefaserverstärkung in voller Länge benötigen. Beispielsweise können gehackte, zurückgewonnene Kohlefaser in Unterhaltungselektronik wie Laptops verwendet werden. Es bietet eine hervorragende Verstärkung der verwendeten Polymere, auch wenn es das Verhältnis von Stärke zu Gewicht einer Luft- und Raumfahrtkomponente fehlt.

Kohlenstoffnanoröhrchen verstärktes Polymer (CNRP)

In 2009, Zyvex Technologies eingeführte Kohlenstoff-Nanoröhrchen-verstärkte Epoxid- und Kohlenstoff-Kohlenstoff Pre-Pregs.[33] Kohlenstoff-Nanoröhrchen Das verstärkte Polymer (CNRP) ist mehrmals stärker und härter als CFRP und wird in der verwendet Lockheed Martin F-35 Lightning II als strukturelles Material für Flugzeuge.[34] CNRP verwendet immer noch Kohlefaser als primäre Verstärkung,[35] Die Bindungsmatrix ist jedoch ein mit Nanoröhren gefüllter Epoxid.[36]

Siehe auch

Verweise

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