Die faszinierende Geschichte der Kohlefaser: Wer hat diesen Hochleistungsverbundstoff erfunden?

In der modernen Ära sind viele bemerkenswerte Materialien entstanden – aber nur wenige sind so außergewöhnlich wie Kohlefaser. Sie hat ein beispielloses Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, zeichnet sich durch hervorragende Haltbarkeit aus und ist korrosionsbeständig. Industrielle Aktivitäten wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und sogar der Sport sind von ihr abhängig geworden, und dennoch werden die Ursprünge der Kohlefaser oft vernachlässigt. Die Geschichte hinter der Kohlefaser ist äußerst faszinierend. Dieser Artikel soll Licht auf die Erfindung der Kohlefaser, ihre anfänglichen Verwendungszwecke und ihre Entwicklung zum Hochleistungsverbundstoff von heute werfen. Das Verständnis der Geschichte der Kohlefaser gibt außerdem Einblicke, wie sie weiterhin Innovationen im Ingenieurwesen vorantreibt.

Wem wird die Erfindung der Kohlefaser zugeschrieben?

Roger Bacons bahnbrechende Entdeckung im Jahr 1958

Die modernste Form der Kohlenstofffasern ist dem Physiker Roger Bacon zu verdanken, der 1958 im Parma Technical Center von Union Carbide Vorarbeiten für die Industrie leistete. Der Verkauf von Kohlenstofffasern begann während Bacons Forschungen und beinhaltete das Züchten von Graphitwhiskern in einem Kohlenstoffbogen. Die zu dieser Zeit hergestellten Fasern waren von bemerkenswertem Wert, da ihre Zugfestigkeit und Steifheit alles andere, was es damals gab, bei weitem übertrafen. Diese Whisker, obwohl klein, zeigten außergewöhnliche Eigenschaften und zeigten einen Elastizitätsmodul von ungefähr 700 GPa sowie eine Zugfestigkeit von 20 GPa, was perfekt demonstriert, wie nützlich Kohlenstoff in fortschrittlichen Materialanwendungen sein kann. Mit Orderous Cane bildete die organische Grammfraktionierung der Wassersäule die älteste technische Grundlage für die Herstellung von polymorphen Kohlenstofffasern.

Der Beitrag von Union Carbide zur Entwicklung von Kohlenstofffasern

Union Carbide synthetisierte organische Verbindungen, die bei der schrittweisen Entwicklung halfen, die nicht durchgeführt wurde, als Kohlenstofffasern in der akademischen Welt noch ein Konzept waren. Die Daten von Bacons Arbeit erwiesen sich für Union Carbide als ausreichend, um seine Einnahmequellen für Tests in sehr kleinem Maßstab zu verringern. Um die Kohlenstofffasertechnologie zu industrialisieren, benötigte das Unternehmen einen Kohlenstofffaserlieferanten. Deshalb ermöglichte Kuyushin die Herstellung dünner Fäden aus dem nach der Pyrolyse der Fasern bei der Temperaturfaserbehandlung gewonnenen Viskose-Ausgangsfilter. Er nahm bereitwillig Unstorm-Arbeitsteile auf und fügte hinzu, dass die gesetzten Ziele ihnen Testfehler garantierten. Dies waren die ersten Versuche, einen Viskosefilter innerhalb einer kohlenstoffreichen Struktur mit einem anpassungsfähigeren Gitter zu verwenden.

Weitere wichtige Beiträge zur Kohlefasertechnologie

Neben Roger Bacon wurden Kohlenstofffasern auch von anderen Personen und Institutionen weiterentwickelt und kommerzialisiert. In den 1960er Jahren, als das Royal Aircraft Establishment (RAE) und Rolls Royce in Großbritannien Technologien entwickelten, wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Die Bemühungen zielten auf die Verwendung von Polyacrylnitril (PAN) als Vorläufer ab und führten zu Fasern mit verbesserten mechanischen und Zugeigenschaften, von denen einige 2 GPa überstiegen und Module von fast 200 GPa aufwiesen. Auch Toray Industries und viele andere Unternehmen in Japan trugen maßgeblich zur Steigerung der Produktionskapazität des Materials bei, indem sie bahnbrechende Techniken der Massenfertigung ohne Abstriche bei der Qualität integrierten.

Dank dieser Beiträge von Forschern, Unternehmen und Regierungen konnte die Kohlefaser die Grenzen der Neugier in Laboren überwinden und sich in eines der wertvollsten und multifunktionalsten Materialien in der modernen Technik verwandeln.

Was war der ursprüngliche Zweck von Kohlefaser?

Hinweise auf Kohlenstofffasern lassen sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als Thomas Edison sie in seiner Glühbirne verwendete und dabei Bambus als Glühfaden verwendete. Dadurch konnte die Festigkeit von Kohlenstoffmaterialien bei hohen Temperaturen getestet werden. Leider waren diese Fasern schwach und in der heutigen Gesellschaft nicht anwendbar.

Mitte des 20. Jahrhunderts wurde Kohlefaser zu einem hochfesten Material. In den 1960er Jahren produzierte die Royal Aircraft Establishment in Großbritannien Kohlefilamente mit verbesserter Zugfestigkeit, Steifheit und Polyacrylnitril. Diese Filamente konnten bis zu 1,000 MPa standhalten und hatten einen Elastizitätsmodul von 200 bis 400 GPa. Mit diesen Fortschritten wurde der Einsatz von Kohlefaser in der Luftfahrttechnik möglich.

In der modernen Industrie vollzieht sich ein inspirierender Wandel von Edisons Erfindungen hin zur modernen Nutzung von Kohlenstofffasern, der das beispiellose Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der Kohlenstofffasern unterstreicht. Moderne Kohlenstofffasern haben eine erstaunliche Streckgrenze von über 5,000 MPa und Elastizitätsmodule im Bereich von 250-1000 GPa, abhängig von ihrer Qualität. Heute werden Hochleistungskohlenstofffasern mit bemerkenswerter Präzision hergestellt. Die Verwendung von Kohlenstofffasern auf Pechbasis hat ihre Anwendbarkeit in strukturellen, thermischen und elektrischen Bereichen wie Windturbinen, Sportgeräten und sogar medizinischen Geräten sowie leichten Verbundwerkstoffen für Satelliten, Autos und Flugzeuge weiter erweitert.

Durch die Entwicklung hochfester und hochmoduliger Kohlenstofffasern auf Pechbasis wurden die Leistungsmesslatten für Kohlenstofffasern auf Pechbasis höher gelegt, was weitere Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Wärmetechnik, Strukturtechnik und Elektrik ermöglichte.

Wie hat sich die Herstellung von Kohlefasern im Laufe der Zeit verändert?

Frühe Produktionsmethoden mit Fasern auf Viskosebasis

Mitte des 20. Jahrhunderts wurden zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus Viskosefasern verwendet. Diese Fasern wurden hohen Temperaturen ausgesetzt, um eine kohlenstoffreiche Substanz zu bilden. Diese Technik war zwar auf ihre Weise bahnbrechend, führte jedoch zu Fasern mit inkonsistenten Parametern, geringer Festigkeit und Anwendungsbeschränkungen im Vergleich zu den heutigen Möglichkeiten.

Einführung von Polyacrylnitril (PAN)-Vorläufern

In den 1960er Jahren kam es mit der Einführung von Polyacrylnitril (PAN)-Vorläufern zu einer wesentlichen Verbesserung der Kohlenstofffaser-Produktionstechniken. PAN-Fasern ermöglichten die Herstellung von Polyacrylnitril auf überlegenen Strukturen, aus denen Fasern mit zahlreichen Festigkeiten hergestellt werden konnten. Darüber hinaus besaßen die aus diesen organischen Fasern hergestellten Kohlenstofffasern eine hohe Zugfestigkeit und waren durchgehend gleichmäßig. Durch diesen Wandel wurde es möglich, die Anforderungen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie zu erfüllen.

Moderne Techniken zur Herstellung von Carbonfasern

Heute sind fortschrittliche Techniken, die Produktionsprozesse von Kohlefaserverbundwerkstoffen wie Stabilisierung, Karbonisierung und Graphitierung automatisieren, die Norm. Dies reduziert die Variabilität und erleichtert gleichzeitig die Skalierbarkeit. Darüber hinaus ermöglichen Fortschritte bei den Recyclingbemühungen die Umsetzung nachhaltigerer Methoden in der Branche.

Was sind die wichtigsten Meilensteine ​​in der Geschichte der Kohlefaser?

Roger Bacons bahnbrechende Entdeckung bei Union Carbide im Jahr 1958 wird oft als Grundlage der Kohlefaserindustrie und ihrer nachfolgenden Kohlefaserentwicklungen angesehen. Zum ersten Mal gelang es Bacon, mithilfe eines erhitzten Graphitfilaments auf neuartige experimentelle Weise hochfeste Fasern mit hohem Elastizitätsmodul herzustellen. Die neuen Fasern besaßen unglaubliche mechanische Eigenschaften und wiesen eine bemerkenswerte Zugfestigkeit und Steifheit auf, die auf die bemerkenswert ausgerichtete Graphitkristallarchitektur zurückzuführen waren. Insbesondere betrug der Elastizitätsmodul etwa 20 Millionen psi und die Zugfestigkeit etwa 200,000 psi, was für jedes Material unglaublich beeindruckende Werte sind.

Allein diese Leistung reichte der American Chemical Society aus, um ihr den Preis National Historic Chemical Landmark zu verleihen und damit den Grundstein für die moderne Kohlefaserindustrie zu legen. Neben dieser Bedeutung führten Bacons Erkenntnisse zu einer Revolution in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Automobilindustrie sowie in anderen Bereichen des modernen Ingenieurwesens, in denen leichte und robuste Materialien für kritische Designs erforderlich sind.

Wie sind die Eigenschaften von Kohlefaser im Vergleich zu anderen Materialien?

Zugfestigkeit und geringes Gewicht

Kohlefaser ist eines der stärksten Industriematerialien und im Vergleich zu Materialien wie Stahl und Aluminium deutlich leichter. Ihre Zugfestigkeit kann je nach Art und Herstellungsverfahren zwischen 250,000 und 800,000 psi liegen. Anders als bei herkömmlichen Materialien beträgt die Dichte von Kohlefaser etwa 1.6 g/cm³, was einen starken Kontrast zu den 7.8 g/cm³ bei Stahl darstellt. Dieses außergewöhnliche Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist der Grund, warum Kohlefaser das Material der Wahl in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie ist, wo das Strukturgewicht reduziert werden muss.

Wärmeleitfähigkeit und andere physikalische Eigenschaften

Obwohl Kohlefaser bemerkenswerte mechanische Eigenschaften aufweist, ist ihre Wärmeleitfähigkeit auf die Art und Ausrichtung der Faser beschränkt. Sie liegt bei speziellen Varianten mit hoher Leitfähigkeit normalerweise im Bereich von 5 W/m·K bis 1000 W/m·K. Anders als Metalle wie Aluminium (mit einem Wert von fast 237 W/m·K) dienen Kohlefaserverbundstoffe aufgrund der Harzmatrix normalerweise als Wärmeisolierung. Außerdem verfügen sie über einen hohen Elastizitätsmodul von 20 bis 50 Millionen psi und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit. Diese Eigenschaften ermöglichen eine zuverlässige Leistung unter dynamischen und extremen Bedingungen und verbessern so ihre Anwendung im Bereich der Spitzentechnik.

Welche Branchen wurden durch Kohlefaser revolutioniert?

Luft- und Raumfahrt- und Automobilanwendungen

Die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilbranche haben sich mit dem Aufkommen von Carbonfasern aufgrund ihres unübertroffenen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht verändert. In der Luft- und Raumfahrt ist das Material von entscheidender Bedeutung, um das Gewicht von Flugzeugen zu minimieren, ohne Kompromisse bei der strukturellen Festigkeit einzugehen, was den Treibstoffverbrauch optimiert und die Nutzlastkapazität maximiert. Beispielsweise werden Carbonfaserverbundstoffe in den Rumpf- und Flügelabschnitten von Flugzeugen eingesetzt, wo allein die Zugfestigkeit bei etwa 600 ksi liegt. Auch die Automobilindustrie kann Carbonfasern in High-End-Supersportwagen nutzen, insbesondere bei Karosserie- und starren Fahrwerksteilen, bei denen Beschleunigung, Bremsen und die Gesamtleistung des Fahrzeugs verbessert werden. Sein hoher Elastizitätsmodul von bis zu 50 Millionen psi garantiert Zuverlässigkeit bei pulsierenden dynamischen Belastungen und Stößen.

Sportgeräte und Konsumgüter

Der Kohlefaserverbundstoff wird aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Steifigkeit häufig in der Sport- und Freizeitbranche eingesetzt. Er wird in Fahrrädern, Tennisschlägern, Golfschlägern und Angelruten verwendet. Beispielsweise kann der Rahmen eines Kohlefaserfahrrads weniger als 1 kg wiegen und dennoch eine Zugfestigkeit von 500 ksi aufweisen, was für beispiellose Geschwindigkeit und Beweglichkeit sorgt. Ebenso wird Kohlefaser aufgrund ihrer Ästhetik und Festigkeit ohne zusätzliches Gewicht in das Gehäuse von Konsumgütern wie Laptops und Smartphones eingearbeitet. Diese Eigenschaften tragen zusammen dazu bei, die Qualität des Produkts zu verbessern, ohne an Haltbarkeit einzubüßen.

Bau- und Infrastrukturnutzung

Die Bauindustrie setzt zunehmend auf innovative Materialien wie Kohlefaser, die eine hohe Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Sie wird zunehmend zur Verstärkung von Betonkonstruktionen wie Brücken und Gebäuden eingesetzt, bei denen Festigkeit und Leichtigkeit erforderlich sind. Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) wird zur Ummantelung von Stützbalken und -stützen verwendet, deren Tragfähigkeit 2000 MPa übersteigt. Er ist außerdem umweltbeständig, sodass die Festigkeit der Struktur auch unter extremen Bedingungen erhalten bleibt. Daher dominiert Kohlefaser weiterhin den modernen Infrastrukturmarkt mit seinen Anforderungen an eine längere Lebensdauer und geringere Wartungskosten.

Was hält die Zukunft für die Kohlefasertechnologie bereit?

Fortschritte bei Kohlefaserverbundwerkstoffen

Die Materialwissenschaft wird ständig durch die neuesten Verbesserungen in der Kohlefasertechnologie auf die Probe gestellt, da diese Innovationen der Verbesserung von Leistung, Nachhaltigkeit und Effizienz dienen. Die neueste Innovation begegnet der Kostenherausforderung durch die Herstellung von Hybridverbundwerkstoffen, die Kohlefaser mit Glasfaser oder Aramid integrieren, um Flexibilität und Schlagfestigkeit zu optimieren. Darüber hinaus werden Produktionsmethoden unter Verwendung von Polyacrylnitril (PAN) entwickelt, die Kosten und Energieverbrauch weiter senken und gleichzeitig die außergewöhnliche Zugfestigkeit der Kohlefaser von über 4000 MPa bewahren.

Neue Einsatzmöglichkeiten und Innovationen mit Carbonfasern

Kohlefaser findet in vielen Bereichen neue Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im nachhaltigen Bauwesen, in städtischen Luftmobilitätsfahrzeugen, in Rotorblättern der nächsten Generation von Windkraftanlagen und mehr. Beispielsweise können thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt aufgrund ihrer hohen Wärmespeicherfähigkeit von 400 °C (204 °F) in schnellen Fertigungszyklen eingesetzt werden. Darüber hinaus wird CFK aufgrund seines geringeren Gewichts und seiner hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit für die Energieerzeugung in Windkraftanlagen mit Rotorblättern von über 100 Metern Länge gesucht.

Aus ökologischer Sicht bietet ein Verfahren wie das Pyrolyserecycling Potenzial für die Rückgewinnung von Fasern zur Wiederverwendung unter Beibehaltung der mechanischen Festigkeit und Ermöglichung eines zirkulären Lebenszyklus für Kohlefaserprodukte. Diese Fortschritte helfen bei der Lösung technischer Probleme, aber noch wichtiger: Sie entsprechen dem steigenden Bedarf an nachhaltigen und effizienten Materialien in der Industrie weltweit.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Wem wird die Entdeckung der Kohlenstofffasern zugeschrieben?

A: Sir Hugh Robert Hurst gilt in den 1950er Jahren als Pionier bei der Erfindung der Kohlenstofffasern, die die Grundlage für die heutigen Hochleistungskohlenstofffasern bilden.

F: Welche Materialien sind die Rohstoffe für die Herstellung von PAN-basierten Kohlenstofffasern?

A: Der primäre Rohstoff für die Produktion von PAN-basierten Kohlenstofffasern ist Polyacrylnitril (PAN), das anschließend weiterverarbeitet wird, um aus Pan-Vorläufern hochmodulige Fasern herzustellen.

F: Warum werden Kohlenstofffasern in vielen Branchen eingesetzt?

A: Kohlenstofffasern werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Festigkeit und ihres hohen Elastizitätsmoduls in zahlreichen Branchen eingesetzt. Daher sind sie in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei der Herstellung von Sportgeräten von großem Nutzen.

F: Welchen Beitrag hat Akio Shindo zur Entwicklung von Kohlenstofffasern geleistet?

A: Akio Shindo war in den 1970er Jahren einer der führenden Hersteller von PAN-Kohlefasern und hat die Entwicklung und Einführung von Kohlefasern maßgeblich vorangetrieben.

F: Wie werden heutzutage kommerzielle Kohlefasern hergestellt?

A: Heutzutage werden kommerzielle Kohlenstofffasern durch moderne Methoden des Spinnens und Erhitzens von Polyacrylnitril (PAN) hergestellt, um viele Arten von Kohlenstofffasern und -geweben herzustellen.

F: Was bedeutet der gemeinsame Technologievertrag für die Technologien zur Kohlenstofffaserproduktion?

A: Die Technologien zur Kohlenstofffaserproduktion der führenden Hersteller wurden in einer einzigen Vereinbarung konsolidiert, wodurch die Prozesse zur Herstellung von Kohlenstofffasern automatisiert wurden.

F: Worin unterscheiden sich Hochleistungs-Carbonfasern von anderen Fasern?

A: Wie andere Fasern auch, unterscheiden sich Hochleistungskohlenstofffasern durch ihren Kohlenstoffgehalt, ihre Festigkeit und ihre Moduleigenschaften, wodurch sie bei anspruchsvolleren Anwendungen Standardfasern übertreffen.

F: Was ist die Geschichte hinter der ersten Glühbirne und ihrer Verbindung zu Kohlenstofffasern?

A: Edison erfand die erste Glühbirne mit Kohlenstofffäden, die für die Entwicklung von Kohlenstofffasern äußerst wichtig waren. Die heutigen Kohlenstofffasern unterscheiden sich jedoch in Struktur und Zusammensetzung erheblich. Kohlenstofffasern basieren auf filamentartigen Kohlenstoffstrukturen und wurden stark weiterentwickelt.

F: Was sind Vollkohlefaserfilamente und welche Anwendungen gibt es dafür?

A: Vollcarbonfaserfilamente bestehen aus Kohlenstofffasern, die aufgrund ihrer einzigartigen Struktureigenschaften besondere Anwendungsmöglichkeiten bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten und hochentwickelten Sportartikeln finden.

Referenzquellen

1. Überschrift: Kohlefaserverstärkte Aluminium-Verbundwerkstoffe

Autor: Keiichi Kuniya et al.

Erscheinungsjahr: 2017

Zusammenfassung: Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Untersuchung von Verbundwerkstoffen, die mit Kohlenstofffasern und einer Matrix aus Aluminium mit eingebetteten Kohlenstofffasern verstärkt sind, deren Zugfestigkeit höher ist als die der Matrix selbst. Die Forschung weist auf die Entwicklung einer Carbidphase an der Grenzfläche zwischen Kohlenstofffasern und der Aluminiummatrix des Verbundwerkstoffs hin, was wiederum die Bindung und andere Verbundwerkstoffeigenschaften stärkt (Kuniya et al., 2017).

2. Überschrift: Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoffverbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Autoren: nicht definiert

Erscheinungsjahr: 2017

Zusammenfassung: Diese Studie leistet einen Beitrag zur technischen Literatur über kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffverbundstoffe mit besonderem Schwerpunkt auf der elastischen Leistung wie dem Elastizitätsmodul bei Längsbiegung. Der Artikel beschreibt die Anwendung von Verbundstoffen aus Kohlenstofffasern auf Kohlenstofffasern zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und zur Minimierung der Auswirkungen von Verformungen, Brüchen und anderen Schäden, die während der Verarbeitung entstehen (KOHLENSTOFFFASERVERSTÄRKTER KOHLENSTOFFVERBUNDSTOFF UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DESSELBEN ERFINDUNGSBEREICHS, 2017).

3.Titel: Aktivkohlefaserstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Autoren: Keine Angaben

Erscheinungsjahr: 2017

Zusammenfassung: Dieses Herstellungsverfahren, bei dem Pechfasern mit den Vorläuferfasern von Kohlenstofffasern kombiniert werden, beschreibt die Faserstruktur eines Aktivkohleverbundwerkstoffs. Ein einzigartiges Merkmal der Faserstruktur ist, dass die aktivierte Behandlung die Eigenschaften, Geräte und Materialien der Pechkohlefaser und viele andere Bereiche verbessern kann (AKTIVIERTE KOHLENSTOFFFASERSTRUKTUR UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN, HINTERGRUND DER ERFINDUNG, 2017).

4. Führender Dienstleister für die Bearbeitung von Kohlefasern in China