Tradition vs. Innovation: Wie Kohlefaser-Mehrachsige Gewebe die Konstruktion neu definieren?

Mehrachsige Kohlefasergewebe werden aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Festigkeit und ihrer hervorragenden mehrachsigen mechanischen Eigenschaften in vielen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Windenergie, Automobilbau, Schienenverkehr, Sportgeräten, Bauverstärkung und medizinischer Ausrüstung eingesetzt. Sie dienen hauptsächlich der Herstellung leichter, leistungsstarker Strukturbauteile, um die Haltbarkeit und Effizienz der produkte , und gleichzeitig erweitert sich mit der technologischen Entwicklung und steigenden Umweltschutzanforderungen ihr anwendung anwendungsspektrum weiter.

Grundkonzept des mehrachsigen Gewebes

kohlefaser-Multiaxial bezeichnet eine Struktur, bei der Kohlefasern in mehreren Richtungen oder Achsrichtungen in einem Kohlefaserverbundwerkstoff schichtweise angeordnet sind. Diese Struktur kann Festigkeit und Steifigkeit gegenüber mehreren Richtungen erreichen und verbessert dadurch die Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs.

kohlefaser-Multiaxialgewebe sind Gewebe aus Kohlefasern, die durch Polyesterfäden in mehreren Richtungswinkeln von 0°/+45°/-45°/90° verwebt werden.

0/90°	±45°

Kohlefaser-Multiaxialgewebe verwendet eine mehrwinklige Faserschichtstruktur mit 0°, ±45°, 90° usw. und erreicht durch Webtechnik eine präzise Positionierung. Jede Faserschicht ist in einem bestimmten Winkel angeordnet und bildet eine biomimetische Struktur, die einem biologischen Gerüst ähnelt. Durch diese einzigartige Konstruktion kann das Material in verschiedenen Belastungsrichtungen eine hohe Festigkeit beibehalten und überwindet so die Nachteile herkömmlicher einachsiger Gewebe mit deutlicher Anisotropie.

Gewebtes Gewebe VS. Multiaxiales Gewebe

【PLAIN】

(1) Übermäßige Stabilität: Aufgrund des kurzen Abstands zwischen den Verflechtungspunkten weisen Gewebe im Leinwandbindungsmuster ein hohes Maß an Stabilität auf, wodurch sie für die Verwendung in Überlagerungen mit komplexen Profilen ungeeignet sind, da sie nicht so biegsam sind wie einige andere Gewebe.

(2) Spannungskonzentration: Aufgrund des übermäßigen Knickwinkels (der Winkel, der durch die Fasern beim Weben entsteht) im Garn erzeugt die raue Krümmung eine Spannungskonzentration, die das Bauteil im Laufe der Zeit schwächen kann.

【TWILL】

(1) Gleichgewicht zwischen Flexibilität und Stabilität: Twill-Gewebe sind nicht so stabil wie Leinwandbindungen, bieten jedoch eine gute Flexibilität und können komplexe Konturen bilden.

(2) Unterschiedliche Festigkeit: Twill-Gewebe sind weniger fest als Leinwandbindungen, was ihre Verwendung in bestimmten Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zugfestigkeit beeinträchtigen könnte.

【Mehrachsige Gewebe】

Im Gegensatz zu herkömmlichen gewebten Geweben:

（1）Mehrachsige steifigkeit und Festigkeit: Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber einfachen Geweben, die aufgrund übermäßiger Stabilität nicht für komplexe konturierte Laminierungen geeignet sind.

（2）Verringerte Faserkrümmung: Das Kettstricken erhöht deutlich die interlaminare Scherfestigkeit, Schadensresistenz, Schlagzähigkeit und Druckfestigkeit nach Impact von Verbundwerkstoffen, was günstiger für die Faserfestigkeit ist.

Anwendungsgebiete für mehrachsige Gewebe

【Luft- und Raumfahrt：T die F22 und die „Slimming“-Reise der Boeing 787

Bei Flugzeugflügeln, Strukturrahmen und anderen Bauteilen werden Materialien benötigt, die sowohl leichtgewichtig sind als auch mehrachsige mechanische Eigenschaften aufweisen, um aerodynamischen Belastungen und mehrdimensionalen Spannungen standzuhalten. Kohlefasern-Mehrachsen-Gewebe ermöglichen durch eine gezielte Ausrichtung der Fasern eine stabilere Bauteilstruktur sowie erhöhte Festigkeit und Steifigkeit.

Rumpfschale der Boeing 787, Ventilatorschaufeln usw.: Kohlefasern-Mehrachsen-Gewebe reduziert das Gewicht erheblich und verbessert die Beständigkeit. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kohlefasermaterialien, die Spannungen in mehreren Richtungen nicht effektiv standhalten können und dadurch leicht zu Ermüdungsbrüchen führen, bietet es eine höhere Dauerhaltbarkeit.

【Schienenverkehr: CETROVO – Neue Generation kohlefaserverstärkter U-Bahn-Fahrzeuge von CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

Leichterer Aufbau, energieeffizienterer Betrieb. Die Gewichtsreduktion des U-Bahn-Wagens aus Kohlefaser beträgt 25 %, die des Drehgestells (mehrachsige Kohlefaser) 50 %, die Gesamtgewichtsreduktion des Fahrzeugs etwa 11 %. Der Energieverbrauch im Betrieb sinkt um 7 %. Jeder Zug kann jährlich etwa 130 Tonnen CO₂-Emissionen einsparen, was einer Aufforstung von 101 Morgen entspricht.

Niedrigere Lebenszykluskosten für Betrieb und Wartung. Dank kohlefaserverstärkter Leichtbaumaterialien und dem Einsatz neuer Technologien ist der Verschleiß von Rädern und Schienen bei kohlefaserverstärkten U-Bahn-Zügen deutlich reduziert, wodurch der Wartungsaufwand für Fahrzeug und Gleise erheblich sinkt. Die Lebenszykluskosten verringern sich um 22 %.

【Militärindustrie: Die Geheimwaffe des US-amerikanischen F22-Raptor-Kampfflugzeugs】

Der US-amerikanische F-22 „Raptor“-Kampfflugzeug verwendet eine Vielzahl von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen, darunter mehrachsige kohlenstofffaserbasierte Gewebe-Verbundmaterialien. Der Anteil dieser Materialien an Hauptflügeln, Bremsschirm, Seitenleitwerk, Rumpfaußenhaut und anderen Bauteilen beträgt bis zu 35 %, wodurch das Luftfahrtgewicht erheblich reduziert wird. Gleichzeitig werden die Manövrierfähigkeit sowie Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit deutlich verbessert. Das Gewicht des Rumpfes wurde somit erheblich verringert, während die Beweglichkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung und Korrosion gesteigert wurden.

【Ziviler Bereich: Revolution der nächsten Generation bei Werkstoffen】

Im zivilen Bereich haben kohlenstofffaserverstärkte mehrachsige Gewebe weite Verbreitung in vielen Branchen wie Bauwesen, Medizin, Transport und Sportgeräten gefunden und sind tief in das tägliche Leben integriert. Im Bauwesen wird das Material aufgrund seiner Vorteile wie einfacher Handhabung und zuverlässiger Wirkung häufig für die Reparatur und Verstärkung bestehender Tragwerke eingesetzt, was die Ausweitung der Anwendung im Baugewerbe erheblich vorangetrieben hat. Im medizinischen Bereich wächst die Marktnachfrage nach leistungsfähigen medizinischen Geräten kontinuierlich durch den Fortschritt der medizinischen Technologie und die gesteigerte Gesundheitsbewusstsein. Der Dauerbetrieb solcher Geräte stellt hohe Anforderungen an ihre Haltbarkeit. Kohlenstofffaser-Materialien haben sich als hervorragend chemisch inert (korrosionsbeständig, säure- und alkaliunempfindlich) und dimensionsstabil erwiesen und sind daher ein ideales Material für die Herstellung medizinischer Geräte. Transportmittel profitieren von den Eigenschaften der mehrachsigen Gewebe, wie Leichtbau und hohe Festigkeit (hervorragende Zug- und Scherfestigkeit), wodurch das Leergewicht des Fahrzeugs deutlich reduziert und der Energieverbrauch gesenkt wird. Gleichzeitig verbessern ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften effektiv die passive Sicherheit des Fahrzeugs. In der Sportartikelindustrie erfüllen Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe die Nachfrage der Verbraucher nach Hochleistungsgeräten und gewährleisten durch ihr geringes Gewicht, hohe Dämpfung, hervorragende Ermüdungsbeständigkeit und geringe Dehnung eine hohe Produktqualität und Langlebigkeit.

Zukunftsausblick

Mit der stetigen Steigerung der Nachfrage nach Verbundwerkstoffen wird Kohlefasermehrachsengewebe aufgrund seiner anpassbaren Laminierungswinkel, hohen Konstruktionsfreiheit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften in vielen Bereichen einen weiteren Entwicklungsspielraum erhalten. In Zukunft wird mit dem Fortschritt der automatisierten Fertigungstechnologie und neuer Harzsysteme die Produktionseffizienz von Mehrachsengeweben weiter verbessert, die Kosten kontinuierlich optimiert und dadurch die großflächige Anwendung in hochwertigen Bereichen wie Windturbinenblättern, neuen Energiefahrzeugen (NEVs), Luft- und Raumfahrt vorangetrieben. Gleichzeitig werden die hervorragenden Eigenschaften des Mehrachsengewebes hinsichtlich Schlagzähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auch im zivilen Bereich – beispielsweise bei der Gebäuderverstärkung, Sportgeräten und medizinischen Geräten – einen größeren Nutzen entfalten und so zur Verbreitung leichter, leistungsstarker Produkte beitragen.