Wat is koolstofvezel? Wat maakt deze 'materiaalster' zo goed?

Als het gaat om koolstofvezel, hebt u er misschien al van gehoord in het nieuws - raketpijlen, hogesnelheids-treinwagens, drones, racingshells en zelfs high-end badmintonrackets tonen zijn aanwezigheid. Dit klinkt als 'black technology' vol materialen, maar wat is het eigenlijk? Vandaag nemen we de meest gebruikte woorden om je kennis te laten maken met de 'ster uit de materialenwereld'.

Koolstofvezel, in essentie 'super koolstofdraden'

Eenvoudig gezegd is koolstofvezel een anorganisch polymeer met een koolstofgehalte van 90% of meer. Het is noch een metaal, noch kunststof, maar een 'kristal van koolstof' — een zwarte filamentdraad die wordt gevormd door een speciaal proces waarbij organische vezels (zoals polyacrylonitril en asfalt) bij hoge temperaturen worden gecarboniseerd om onzuiverheden te verwijderen.

Verschijning: slechts 5-10 micrometer in doorsnede (ongeveer 1/10 van een haar), ziet er met het blote oog uit als zwart garen of wol, maar voelt 'strakker' aan dan ijzerdraad.

Kenmerken: 'Licht, sterk, bestand, stabiel'.

(1) Sterkte is 7-9 keer die van staal, veerkracht is ver boven die van glasvezel;
(2) Dichtheid van slechts 1,7 g/cm³, lichter dan aluminium (dichtheid van aluminium: 2,7 g/cm³)
(3) Hoge temperatuurbestendigheid (smelt niet bij temperaturen boven 2000 ℃), corrosiebestendigheid (niet bang voor zuren en basen), niet-geleidend (kan door speciale behandeling geleidend worden)

Prestaties 'aan en uit': belachelijk licht en verrassend hard

De voordelen van koolstofvezel worden volledig ondersteund door drie kernvoordelen:

(1) Licht als een veertje, maar sterker dan staal:

Dichtheid is slechts 1,7-2,0 g/cm³ (1/4 van staal, 2/3 van aluminiumlegering), maar de treksterkte kan oplopen tot 3000-7000 MPa (meer dan 10 keer die van staal), en met een koolstofvezelkoord ter dikte van een vinger kan men auto's van meerdere tonnen tillen.

(2) Stijfheid explosief, stabiel als een rots:

Elastische modulus (een maat voor stijfheid) bereikt 200-600 GPa, bijna geen vervorming onder belasting; wanneer gebruikt als steun voor satellieten, kan het een nauwkeurige houding in de ruimte behouden.

(3) 'Anti-slijtage'-eigenschappen volledig benut:

Hoge temperatuurbestendigheid (inerte omgeving tot 2000 ℃), bestand tegen zuren en alkali's (decennia lang geen corrosie in de oceaan), anti-vermoeiing (herhaalde belasting breekt moeilijk), het metaal moet hierbij "het onderspit delven".

Waarom is koolstofvezel een "strategisch nationaal materiaal"?

Koolstofvezel is uiterst moeilijk te produceren, en slechts een paar landen ter wereld kunnen hoogwaardige koolstofvezel op grote schaal produceren (voornamelijk China, Japan en de Verenigde Staten). Het is niet alleen de "hoeksteen" van high-end productie, maar ook cruciaal voor kerngebieden zoals lucht- en ruimtevaart en defensieve veiligheid.

Bijvoorbeeld in militaire toepassingen kan koolstofvezel worden gebruikt voor de romp van stealthvliegtuigen (golfabsorberend), raketrompen (lichtgewicht voor grotere actieradius); in de nieuwe energie-sector geldt: hoe langer de windturbinebladen, hoe hoger het opwekrendement, en alleen koolstofvezel kan de 100-meterlange reuzenbladen ondersteunen.
De afgelopen jaren heeft de Chinese koolstofvezelindustrie een snelle doorbraak gekend, van afhankelijkheid van import naar onafhankelijke massaproductie, en zelfs in sommige gebieden (zoals windenergie, sportartikelen) een dominante positie op de wereldmarkt veroverd.

Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?

De voordelen van koolstofvezel worden volledig ondersteund door drie kernvoordelen:

(1) Voorbereiding van de primaire filament

Polyacrylonitril (PAN), teer en andere grondstoffen worden via een spinningsproces omgezet in 'ruwe zijde' (vergelijkbaar met chemische vezels). Deze stap is de basis, en de kwaliteit van de ruwe zijde bepaalt direct de prestaties van de koolstofvezel (China zat hier lange tijd op vast).

(2) Carbonisatie

De ruwe zijde wordt geleidelijk opgewarmd tot 1.000-3.000 graden Celsius in een inerte gasomgeving (om verbranding te voorkomen), waardoor elementen zoals waterstof en zuurstof worden verwijderd, zodat alleen de koolstofmoleculen overblijven. Na deze stap stijgt het koolstofgehalte van de vezel van 50% naar meer dan 90%, wat de sterkte en hardheid sterk verhoogt.

(3) Verdere bewerking

Afhangende van de toepassing , worden koolstofvezels geweven tot doek, opgerold tot buizen of gecombineerd met harsen, metalen, enzovoort om "koolstofvezelcomposieten" te maken (zoals wat we vaak "koolstofvezelplaten" en "koolstofvezelbuizen" noemen).

【Koolstofvezel Koud Feit】

V: Waarom is het zwart?
A: Grafietstructuren absorberen bijna al het zichtbare licht.

V: Bang voor vuur?
A: Oxidatie begint bij 400°C in lucht, maar de capsule gebruikt het als hittegordel.

Q: Is het herbruikbaar?
A: BMW heeft het mogelijk gemaakt om auto-onderdelen uit afvalkoolstofvezel te recyclen.