Kolfibertillverkning är ingen enkel process. För att skapa detta lätta, men ändå hårda stålmaterial av hög kvalitet, finns det många detaljerade steg. Om du är intresserad av att skapa en ny kolfiberdesign för din kolfiberprototyp, här är vad du behöver veta om skapandet av detta kompositmaterial.
Kolfiber anses vara drömmaterialet för varje ingenjör eftersom det är lätt och samtidigt otroligt hållbart. Den består av tusentals parallella strängar. Dessa strängar kan tvinnas eller vävas ihop till kolfiberkompositer. Kolfiber är ett så värdefullt material eftersom det är fem gånger starkare än stål.
För att tillverka kolfiber används en PAN-fiber av plast. Den består av tusentals filament som är tunnare än ett människohår. De förändrar den kemiskt för att bilda en kedja av kolatomer som i sin tur används för slutprodukten. Det finns speciella maskiner där de radar upp tusentals av dessa fibrer. Efter maskinen färdas fibrerna genom en oxidationsugn i flera minuter.
Innehållsförteckning
Det börjar med en föregångare
Oavsett bransch eller användningsfall, för att tillverka kolfiberkompositmaterial måste en prekursor användas. Detta är råvaran som används för att skapa kolfiber. Till exempel gjordes de första högpresterande kolfibermaterialen av en rayonprekursor.
Nuförtiden är cirka 90 % av de tillverkade kolfibermaterialen gjorda av polyakrylnitril medan de andra 10 % eller så är gjorda av rayon eller petroleumbeck som råmaterial. Dessa klassificeras alla som organiska polymerer eftersom deras molekylära strukturer är långa.
Tillverkning kolfibermaterial
Tillverkningsprocessen för kolfiber börjar med förkolning. För att tillverka kolfiber behöver prekursorn i första hand bestå av kolatomer. Detta innebär att alla andra atomer i strukturen måste utvisas innan kolfibern tillverkas.
Först dras prekursorn till långa fibrer som sedan värms upp till otroligt höga temperaturer. Dessa fibrer värms upp utan närvaro av syre för att säkerställa att materialet inte brinner. Detta orsakar vibrationer i prekursorn som skingra alla icke-kolatomer från materialet.
Behandling
Efter förkolning måste ytan på kolfibrerna behandlas för att binda med epoxi eller andra bindemedel. Det syre som saknades vid förkolning används ofta här: genom att oxidera ytan på den nya kolfibern ökar den förmågan till kemisk bindning samtidigt som den ruggar upp ytan för bättre fysisk bindning. Detta gör den användbar för strukturella kolfiberprojekt.
Oxidation kan användas på en rad olika sätt. Kolfibern kan utsättas för koldioxid, ozon eller till och med salpetersyra, även om nedsänkning av produkten i luft ger det önskade resultatet.
Dimensionering
Innan du kan tillverka din kolfiberprototyp måste kolfibrerna dimensioneras, vilket innebär att de är belagda för att skydda dem under vävningsprocessen. De är vanligtvis belagda med ett lim som epoxi eller nylon. Sedan lindas de till bobiner, snurras och görs till garn för att bygga en prototyp.
Temperaturen i ugnen är cirka 480 grader F. På grund av denna temperatur tar fibrerna upp syremolekyler från luften. Denna process omarrangerar fibrernas atomära struktur och gör dem resistenta mot värme. När fibrerna oxiderar ändrar de färg och blir svarta. Efter att ha oxiderats är de redo för nästa process, som är förkolning.
Fibrerna värms upp i en syrefri gasblandning. Tack vare denna process drivs de icke-kolatomer ut. De återstående kolatomerna omvandlas till tätt bindande kristaller som löper parallellt med fiberns längd. Det är här materialet får sin styrka. Fibrerna färdas sedan genom ett bad av elektriskt laddat vatten som kantar fibrernas yta så att de bättre absorberar harts.
Därefter appliceras ett lätt preliminärt skikt av harts, vilket stärker fibrernas kemiska bindning till formplasten. Efter denna process vävs fibrerna antingen till ett kolfibertyg eller blandas med harts för att forma produkten. Det kan vara en rulle av kontinuerlig fibertråd, vävt tyg av trådar av nättyp och en förimpregnerad matta, halvfärdig för användning. Användningen av förimpregnerad matta är utbredd över hela världen.
Hartset är en formel av epoxi i kombination med pulverformiga härdare och acceleratorer. Arbetarna häller hartset i en filmningsmaskin, som trycker ut hartset i ett tunt vått lager på papper. En annan maskin organiserar under tiden 200 till 300 kolfibrer i en kolfiberbana. Tjockleken på banan bestämmer tjockleken på förimpregnerad mattan.
Förimpregnerad matta av kolfiber
Typiskt monteras två rullar hartsbelagt papper på hartsimpregneringsmaskinen. Ett värmeelement värmer upp banan när den kommer in för att underlätta absorptionen av hartset. Sedan placeras den uppvärmda kolfiberbanan mellan två ark av hartsbelagt papper. Tack vare de högtrycksuppvärmda valsarna tränger hartset in i miljontals kolfiberfilament.
På en svalkande plats förvandlas det flytande hartset till en gel så att papperet kan tas bort vid nästa station. I nästa station är toppen av prepreg-arket täckt med en polyesterfilm. Därefter lindas arket till en rulle. I fabrikens labb kör tekniker kvalitetskontrolltester på prepreg-prover. Sådana tester säkerställer att kolfiber ger optimal styrka, hållbarhet och värmebeständighet.
Kolfiberomslagstyg – råvara
Det behöver inte sägas att tillverkare över hela världen använder olika tekniker som är företagshemligheter, men i vid bemärkelse är den ovan nämnda processen för att skapa kolfiber den som alla följer.
