Staal is lang gebruikt om stevige, langdurige, stijve structuren te creëren. Koolstofvezel is een relatief recente toevoeging aan constructiematerialen, maar de eigenschappen ervan zijn indrukwekkend en uniek. Hieronder volgt een overzicht van de eigenschappen van deze twee materialen en enkele voorbeelden van industrieën die overstappen op koolstofvezel.
Wat is koolstofvezel?
Koolstofvezel bestaat uit koolstof, een natuurlijk voorkomend element, en heeft een hoge treksterkte door de kristallijne structuur. Het wordt gebruikt om lichtgewicht composietonderdelen met hoge sterkte te fabriceren, waarbij de vezel in een polymeermatrix wordt ingebed. De fysica van koolstof maakt het zeer sterk en ongelooflijk stijf. De elasticiteitsmodulus (een maat voor de weerstand van een materiaal tegen vervorming) voor koolstofvezels ligt tussen 150-760 gigapascal (GPa). Dit grote bereik komt doordat het fabricageproces kan worden aangepast om de stijfheid en sterkte op maat te maken. De treksterkte van koolstofvezels is een van de hoogste van alle beschikbare materialen. Hoewel veel materialen, waaronder staal, een hoge stijfheid en treksterkte kunnen hebben, zijn de echte voordelen van koolstofvezel de verhouding sterkte/gewicht en de verhouding stijfheid/gewicht vanwege de lage dichtheid (ongeveer 1,6 g/cm3). Hierdoor kunnen koolstofvezelmaterialen een hoge treksterkte hebben en toch licht zijn. Als zodanig is het een ideale kandidaat voor industriële toepassingen zoals:
- Robotica
- Metrologie
- Terrestrische voertuigen
- auto’s
- vrachtwagens
- fietsen
- Windturbines
In veel van deze toepassingen, verbruiken zwaardere materialen meer energie, veroorzaken grotere slijtage in de tijd, en/of maken hoge prestatiesontwerpen moeilijk tot onmogelijk.
Hoe is staal te vergelijken?
Staal is lange tijd een veelgebruikt materiaal geweest vanwege zijn hoge elasticiteitsmodulus van ongeveer 200 GPa. Deze stijfheid, en de relatieve overvloed, hebben het tot een alomtegenwoordig materiaal voor de fabricage gemaakt. Maar met een dichtheid van ongeveer 8 g/cm3 kan het gewicht ervan zeer belastend zijn voor de machines die ermee moeten worden versterkt. Dit is ongeveer 5 maal het gewicht van koolstofvezelmaterialen die dezelfde stijfheid of beter zouden bieden.
Wat zijn enkele veelvoorkomende toepassingen van koolstofvezel?
Koolstofvezel kan worden gebruikt om een grote verscheidenheid aan producten te maken. Alles wat stijf en licht moet zijn, is een perfecte kandidaat voor composietmaterialen van koolstofvezel. Het zijn populaire opties voor telefoonhoesjes, omdat ze een grote mate van bescherming bieden tegen beschadiging. Ze worden steeds vaker gebruikt in drones en onbemande luchtvaartuigen (UAV’s), waar het lage gewicht bijdraagt aan een lichtere structuur en een groter laadvermogen. In de auto-industrie kunnen nieuwe ontwikkelingen in de koolstofvezeltechnologie het gewicht van auto’s bijna halveren. Koolstofvezel heeft ook geen last van thermische uitzetting zoals staal of aluminium. Medische beeldvormingstafels profiteren van de sterkte en stijfheid van koolstofvezel, waardoor de kritische afmetingen onder belasting behouden blijven zonder na verloop van tijd af te breken, zelfs na hoge doses röntgen- en gammastraling.
Hoe gemakkelijk is koolstofvezel te snijden in vergelijking met staal?
Koolstofvezel is gemakkelijker te snijden dan staal. Zijn laag gewicht vergemakkelijkt behandeling en de Roterende wielen of de zagen met diamant of wolfram-carbide bladen snijden gemakkelijk koolstofvezelcomposiet en maken prototyping gemakkelijk.