Stahl wird seit langem verwendet, um robuste, langlebige und starre Strukturen zu schaffen. Kohlefaser ist eine relativ neue Ergänzung der Strukturmaterialien, aber ihre Eigenschaften sind beeindruckend und einzigartig. Im Folgenden finden Sie eine Aufschlüsselung der Eigenschaften dieser beiden Materialien und einige Beispiele von Branchen, die auf Kohlefaser umsteigen.
Was ist Carbonfaser?
Carbonfaser besteht aus Kohlenstoff, einem natürlich vorkommenden Element, und hat aufgrund seiner kristallinen Struktur eine hohe Zugfestigkeit. Sie wird zur Herstellung von hochfesten, leichten Verbundteilen verwendet, bei denen die Faser in eine Polymermatrix eingebettet ist. Die Physik des Kohlenstoffs macht ihn sehr stark und unglaublich steif. Der Elastizitätsmodul (ein Maß für die Verformungsbeständigkeit eines Materials) für Kohlenstofffasern liegt zwischen 150 und 760 Gigapascal (GPa). Die große Spanne ist darauf zurückzuführen, dass der Herstellungsprozess modifiziert werden kann, um die Steifigkeit und Festigkeit anzupassen. Die Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern ist eine der höchsten von allen verfügbaren Materialien. Obwohl viele Materialien, einschließlich Stahl, eine hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit aufweisen können, liegen die wirklichen Vorteile der Kohlefaser in ihrem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Steifigkeit zu Gewicht aufgrund ihrer geringen Dichte (etwa 1,6 g/ cm3). Dadurch können Kohlefasermaterialien eine hohe Zugfestigkeit aufweisen und gleichzeitig leicht sein. Als solches ist es ein idealer Kandidat für industrielle Anwendungen wie z. B.:
- Robotik
- Messtechnik
- Fahrzeuge
- Autos
- LKWs
- Fahrräder
In vielen dieser Anwendungen, verbrauchen schwerere Materialien mehr Energie, verursachen mit der Zeit einen höheren Verschleiß und/oder machen Hochleistungskonstruktionen schwierig bis unmöglich.
Wie schneidet Stahl im Vergleich ab?
Stahl ist aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls von rund 200 GPa seit langem ein beliebtes Material. Diese Steifigkeit und seine relative Häufigkeit haben ihn zu einem allgegenwärtigen Material für die Fertigung gemacht. Aber bei einer Dichte von etwa 8 g/cm3 kann sein Gewicht für die Maschinen, die es verstärken soll, sehr anstrengend sein. Das ist etwa das 5-fache des Gewichts von Kohlefasermaterialien, die die gleiche oder eine bessere Steifigkeit bieten würden.
Was sind einige gängige Anwendungen von Kohlefaser?
Kohlefaser kann zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten verwendet werden. Alles, was steif und leicht sein muss, ist ein perfekter Kandidat für Carbonfaser-Verbundwerkstoffe. Sie sind eine beliebte Option für Handyhüllen, da sie einen hohen Schutz vor Beschädigungen bieten. Sie werden zunehmend in Drohnen und unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) eingesetzt, wo das geringe Gewicht zu einer leichteren Struktur und größeren Nutzlast beiträgt. In der Automobilindustrie haben neue Fortschritte in der Kohlefasertechnologie das Potenzial, das Gewicht eines Autos fast zu halbieren. Außerdem leidet Kohlefaser nicht unter der thermischen Ausdehnung von Stahl oder Aluminium. Medizinische Bildgebungstische profitieren von der Festigkeit und Steifigkeit von Carbonfasern, da sie selbst bei hohen Dosen von Röntgen- und Gammastrahlung die kritischen Abmessungen unter Belastung beibehalten, ohne mit der Zeit zu brechen.
Wie leicht ist Carbonfaser im Vergleich zu Stahl zu schneiden?
Carbonfaser lässt sich leichter schneiden als Stahl. Sein geringes Gewicht erleichtert die Handhabung, und Rotationsräder oder Sägen mit Diamant- oder Wolframkarbidblättern schneiden Carbonfaser-Verbundwerkstoffe leicht und machen das Prototyping einfach.