Hur gör du stark kolfiber?
Först värms ett ark av fiber och andra polymerer till en mycket hög temperatur i ett utrymme som är fritt från syre. Eftersom det inte finns något syre kan fibern inte brinna utan blir istället så varm att kolatomer är allt som finns kvar.
Därefter stabiliseras och karboniseras kolet. Detta innebär att värma upp det förbränningsbeständiga kolet till höga temperaturer i det fria, sedan sätta det i en ugn fylld med kemiska gaser (men inte syre) och koka det ytterligare.
För det tredje kyls arket och nedsänks i olika kemiska gaser, inklusive syre, för att ge det bättre bindningsegenskaper.
Slutligen appliceras en epoxihartsbeläggning på arket för att skydda fibrerna från skador när de används för att tillverka produkter. Beläggningens sammansättning varierar beroende på de ursprungliga materialen som används för fibern.
Detta är processen för att göra en enda kolfiberskiva, som är ett extremt starkt byggmaterial men ändå kan vara ömtåligt och lätt att bryta i vissa avseenden. För mer information om hur kolfiberskivor blir nästan okrossbara, se avsnittet nedan om "Brossar kolfiber lätt?"
Det är viktigt att veta att att tillverka stark kolfiber är en extremt komplex process som definitivt inte kan göras hemma.
Varför är kolfiber så starkt?
Kolfiber är bland de starkaste materialen på jorden på grund av dess molekylers kedjeliknande bindningar. Denna struktur skapas under alla kemiska reaktioner och extrema temperaturförändringar som fibern går igenom medan den tillverkas.
Processerna binder samman tusentals små trådar och blandar dem med en epoxi. Dessa trådar bildar ett lager av kolfiber, vars styrka påverkas av den exakta orienteringen av trådarna och de typer av tyg som används i lagret.
Ett enda lager kolfiber är vanligtvis cirka 0.25 mm tjockt och är inte särskilt starkt alls. Faktum är att vid den tjockleken är kolfiber väldigt lätt att bryta. Det kan vara kontraintuitivt med vad du vet om att kolfiber är stark, men styrkan skapas i processen att stapla flera lager också med hjälp av orienteringen och väven av fibrerna, även känd som "layup".
Den molekylära renheten hos kolfiber hjälper den också att utveckla en tätt bunden struktur.
Går kolfiber sönder lätt?
Det korta svaret är att det kan, som beskrivits ovan. Det fina med kolfiber är att du kan kontrollera styrkan och riktningen på styrkan. Om du till exempel vill att den ska vara superstark åt ena hållet och mer flexibel åt andra hållet, kan du göra det med en specifik typ av tyg och layup.
Enkelriktade ark
För att förklara, föreställ dig en av de där trämattorna som används för att göra sushi. Mattan är gjord av ett gäng smala trästänger som löper parallellt med varandra och är sammanbundna. Resultatet är att det är lätt att böja mattan om du böjer dig mot ådring. Om du böjer med ådring, kommer dock mattan inte att böjas lätt alls eftersom det skulle innebära att du faktiskt böjer tillräckligt hårt för att knäppa trästängerna.
Kolfiberark består av en serie parallella stavar, liknande sushimattan. Men i kolfiber är stavarna gjorda av behandlad fiber och är mycket starkare än trä. På grund av detta är det ganska svårt att bryta ett ark kolfiber om du trycker i samma riktning som stavarna. Ett ark med stavar som löper i en riktning liknar en typ av kolfibertyg som kallas "enkelriktad", där alla fibrer löper i samma riktning.
Föreställ dig nu att du limmar två sushimattor ovanpå varandra, med trästavarna på bottenmattan åt ena hållet och stavarna på toppmattan åt andra hållet. Nu stödjer mattorna varandra och hindrar varandra från att böjas åt båda hållen.
Med enkelriktad kolfiber kan du, när du staplar materialskikten, styra hållfasthetens riktning med varje lager. Denna kontroll av hållfasthetsriktningen är en av fördelarna med kolfiber. Genom att använda flera lager kan du göra slutprodukten så stark som du behöver för den givna applikationen.
Vävda lakan
I vävda ark av kolfiber vävs filamenten ihop som trådarna i en korg för att hålla ihop bättre. Det finns massor av olika typer av vävar som används av en rad olika anledningar. Det kan vara estetiskt, eller det kan vara lättare att arbeta in en viss typ av material i en form, och/eller det kan ha mer styrka i flera riktningar. De typer av tyg som används och orienteringen de placeras för att kontrollera styrkan, är alla en del av utvecklingen av uppläggsstrategin.
Oavsett vilken typ av väv, men ett enda ark av vävd fiber kommer fortfarande att vara ganska svag om de inte är skiktade.
Staplar av kolfiberplåt (antingen vävd eller enkelriktad) med alternerande orienteringar är extremt starka -- upp till 18 gånger stålets styrka.
Kan du bränna kolfiber?
Du skulle ha svårt att bränna kolfiber.
Om du värmer upp den till 750 grader kommer den att brinna väldigt långsamt så länge som en brinnande bränslekälla appliceras på den. Men även vid den tidpunkten kommer förbränningen att sluta så snart bränslekällan tas bort.
Den begränsade förbränningen orsakas av hartset i kombination med kolet i fibern, eftersom själva kolet inte kommer att brinna. Den enda anledningen till att fibern brinner är att de icke-kolhaltiga komponenterna i den kommer att brinna.
Det finns olika typer av harts som kan stödja olika varianter av värme. En typisk epoxiharts är bra upp till cirka 200 grader Fahrenheit, men en högvärmeharts kommer vanligtvis att motstå värme upp till 400 grader. Kontrollera alltid specifikationerna för det harts som används.
Eftersom kolfiber är så värmebeständigt men ändå så starkt, används det i många tekniska tillämpningar som sidospår inuti motorer.
Kan kolfiber rosta?
Nej. De täta bindningarna i kolfibern är immuna mot oxidation på grund av de komplexa kemiska processer som används under tillverkningen. Epoxihartserna som används för att skydda kolfibern från skador är inerta, vilket betyder att de är säkra mot rost och andra korrosionstyper.
Hur stark är kolfiberfilament?
En kolfiberfilament är den individuella strängen som används på ett kolfibertyg. Dessa strängar är vanligtvis sammanbundna med ett harts, vilket är RP i CFRP (kolfiberförstärkt plast). Genom att para ihop materialet som används med kolfiberns exakta kemiska sammansättning kan ingenjörer skapa något som är ännu mer hållbart, starkt och lätt än dess delar.
I ett vävt tyg kommer varje sträng av kolfiber normalt att ha någonstans mellan 1,000 och 12,000 individuella filament, mindre än bredden på ett människohår.
Så hur stark är kolfiber? Låt oss bara uttrycka det så här: det finns inte många material i världen som är starkare än kolfiber --, särskilt inte kommersiellt tillgängliga.