Koolstofvezel

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Koolstofvezel
Koolstofvezel.jpg
Eigenschappen
Categorie: Materialen
Handelsnamen:

Koolstofvezel, Koolstofvezel, versterkte kunststof, Carbon Fibre, Carbon Fiber, Carbon,

CF
Originele auteur: Paul Breteler en Tijmen van Diepen
Jaar: 2010
Wikipedia link: Carbon-fiber-reinforced polymer

Inhoud

Handelsnamen

Koolstofvezel, Koolstofvezel, versterkte kunststof, Carbon Fibre, Carbon Fiber, Carbon, CF

Beschrijving

Meerdere lagen geweven koolstofdraden, geïmpregneerd met hars of epoxy en gevormd tot de gewenste vorm.

Eigenschappen

De eigenschappen van de vezels verschilt per methode hoe het geproduceerd is. De verschillende tussen de PAN en pitch methode worden later besproken. Maar het verschilt ook met hoe heet de draad verhit is. Hoe hoger de warmte hoe hoger de trekkracht van de vezel. Hieronder staan in tabel 1 de eigenschappen van enkele koolstofvezels. De letters en cijfers staan voor het type koolstofvezel gemaakt door verschillende bedrijven.

Vezel Diameter (μm) Dichtheid ρ (kg/m3) Young’s Modulus E (GPa) Trekkracht σmax (GPa)
PAN koolstof
T-300 7 1760 230 3,53
IM-7 5 1780 300 5,31
Pitch Koolstof
P-55 10 2000 380 1,9
P-100 10 2150 690 2,4

Verder zijn er nog enkele verschillen tussen PAN en pitch koolstof vezel.

PAN Pitch
Zeer kleine kristalgrootte Relatief grote kristalgrootte
Flexibel Stijf
Goede electrische geleider Zeer goede electrische geleider
Makkelijk te fabriceren Moeilijk te fabriceren
- Goede thermische geleider
Duur Duur
Turbostratic Mesophase

Turbostratic: Turbostratic betekent dat de basisvlakken van een kristallijne structuur verschoven zijn ten opzichte van elkaar waardoor de ruimte tussen de vlakken groter is geworden. Dit zorgt ervoor dat PAN koolstoffen erg buigzaam zijn. Mesophase: De mesophase is een fysieke fase van een materie wat tussen vloeibaar en vast zit. Dit heeft als gevolg dat het zich voordoet als een vloeibaar materiaal, maar dat de moleculen geordend zijn op dezelfde manier als bij een vaste stof.

Magnified cross sections

Leveringsvormen

Koolstofvezel kan geleverd worden in de volgende vormen:

  • Vezels
  • Matten
  • Platen, tot 10 vierkante meter
  • Staven, tot erg grote lengte
  • Gewenste vormen

Be- en verwerkingstechnieken

Koolstofvezel begint bij de koolstofdraden, deze kunnen gemaakt zijn van pitch of van PAN. Pitch-draden zijn gemaakt van wat overblijft bij het verwerken van aardolie, oftewel teer. Via de PAN-methode worden de draden gemaakt van polyacrylonitride. De verschillen in eigenschappen staat hierboven. Beide soorten draden zijn heel erg dun, dunner dan het menselijk haar. Dit heeft als gunstig gevolg dat ze hierdoor niet schadelijk zijn voor de mens. Nadat de draden zijn gemaakt worden deze verhit tot heel hoge temperaturen. Dit moet gebeuren met een inert gas, zodat de draden niet verbranden. Door de draden bloot te leggen aan hoge temperaturen gaan alle stoffen behalve de koolstof weg uit het draad. Hierdoor wordt het draad dus veel sterker. De regel geldt dan ook, hoe hoger de temperatuur waaraan de draden worden onderworpen, hoe sterker de draden zijn. De koolstofvezels die gebruikt worden door NASA zijn verhit met temperaturen van 3000̊C, hierdoor wordt het koolstofvezel zo duur dat het de prijs van goud overstijgt. Na dit proces worden de draden samengevoegd tot bundels, hierbij wordt de sterkte van de bundel bepaald door de hoeveelheid draden wat in de bundel zit. De draden worden filamenten genoemd als ze in een bundel zitten. Meestal zitten er rond de tienduizend filamenten in een bundel. (bijv. 10K)

Weefpatronen en lagen

De koolstofvezels moeten eerst geweven worden tot een mat. Dit kan met verschillende patronen, die ieder hun eigen specifieke eigenschappen hebben.

Weefpatronen

Het hoeft echter niet altijd in elkaar geweeft te worden. De draden kunnen ook strak langs elkaar door een bad met hars gehaald worden waardoor je een plaat koolstofvezel krijgt met alleen maar verticale vezels. Dit resulteert in een hoge treksterkte. Via pultrusie kan je ook staven koolstofvezel produceren, en zelfs ook moeilijkere vormen zoals een I-structuur krijgen. Een stuk koolstofvezel bestaat altijd uit meerdere lagen van koolstofvezelmat. Door middel van de verschillende mat-patronen kan je verschillende eigenschappen creëren zoals een koolstofvezelplaat die erg torsiebestendig, of juist erg buigbestendig is. Dit kan je versterken door de verschillende matten in een bepaalde hoek op elkaar te leggen. Liggen de draden onder een hoek van 45 graden ten opzichte van het vlak dan zijn ze erg torsiebestendig, liggen ze 90 graden ten opzichte van het vlak dan zijn ze erg buigbestendig.

Toepassingen

Zoals in de grafiek hieronder te zien is wordt er steeds meer koolstofvezel gebruikt door steeds meer verschillende takken van industrie. Ook wordt koolstofvezel steeds meer gezien als een luxe goed en kunnen zelf horloges en andere luxe goederen gemaakt worden van koolstofvezel. Dit voor een dure uitstraling. Verder wordt er steeds meer geëxperimenteerd met koolstofvezel, zo kunnen er zelfs cello’s gemaakt worden van koolstofvezel.

Koolstofvezel4.png

Voordelen

  • Erg stijf
  • Erg licht
  • Erg sterk
  • Grote energie-opslag capaciteit
  • Kan grote krachten verduren
  • Wordt gezien als mooi en sportief
  • Wordt steeds goedkoper
  • Hittebestendig
  • Bespaart andere materialen (staal/hout)
  • Goed te combineren met andere materialen
  • Slijtbestendig

Nadelen

  • Geen “black metal”
  • Duur om te maken t.o.v. andere materialen
  • Niet schokbestendig
  • Kost veel energie om te maken

Milieuaspecten

De productie van koolstofvezel is niet heel slecht voor het milieu. Er komen weinig schadelijke gassen vrij in het milieu. De schadelijke gassen die vrij komen worden opgevangen. De productie kost echter wel veel energie wegens het verhitten op hoge temperaturen. Voor recycling moet er onderscheid gemaakt worden tussen de volgende twee soorten hars/epoxy die bij de koolstofvezel wordt toegevoegd:

  • Thermoplastische hars
  • Thermoharde hars

Thermoplasten kunnen worden recycled, hiervoor moeten ze verwarmd worden waardoor de koolstofvezel zachter worden. Daarna kunnen ze worden spuitgegoten in een nieuwe vorm. Echter deze methode wordt nog niet heel veel toegepast. Thermoharders kunnen alleen versnipperd worden en daarna gebruikt worden als verstevigingsmiddel. Het is ook mogelijk om koolstofvezels helemaal te recyclen. Chemisch terugwinnen is echter heel erg duur dus niet altijd interresant.

Leveranciers en kenniscentra

De hoofdleverancier van koolstofvezel in Nederland is Royal Ten Cate. Verder bevind zich binnen de Universiteit Twente een kenniscentrum over koolstofvezel. Grote leveranciers van koolstofvezels over de rest van de wereld zijn onder andere:

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen