Kohlefasergeflechte: Was sie sind und warum sie verwendet werden

Wenn Sie sich schon einmal gefragt haben, warum ein Stück Kohlefaser anders aussieht als ein anderes, sind Sie nicht allein. Kohlefaser gibt es in vielen verschiedenen Webarten, die jeweils einem anderen Zweck dienen und nicht nur dekorativ sind.

Kohlenstofffasern werden aus Vorläufern wie Polyacrylnitril (PAN) und Viskose hergestellt. Die Vorläuferfasern werden chemisch behandelt, erhitzt und gestreckt und dann karbonisiert, um hochfeste Fasern zu bilden. Diese Fasern oder Filamente werden dann gebündelt und anhand der Anzahl der darin enthaltenen Kohlenstofffilamente identifiziert. Übliche Strangstärken sind 3k, 6k, 12k und 15k. Das „k“ steht für Tausend, also besteht ein 3k-Strang aus 3.000 Kohlenstofffilamenten. Ein Standard-3k-Strang ist typischerweise 0,125 Zoll breit, das ist also eine Menge Faser, die auf kleinem Raum zusammengequetscht wird. Ein 6k-Strang hat 6.000 Kohlenstofffilamente, ein 12k-Strang hat 12.000 Kohlenstofffilamente und so weiter. Große Mengen hochfester Fasern, die gebündelt werden, machen Kohlenstofffasern zu einem so starken Material.

 

Kohlefasergewebe
Kohlefasern liegen oft in Form von Geweben vor, was die Verarbeitung erleichtert und je nach Anwendung für zusätzliche strukturelle Festigkeit sorgen kann. Daher können Kohlefasergewebe auf viele verschiedene Arten gewebt werden. Die gebräuchlichsten sind Uni, Twill und Strapssatin, und wir werden jedes Material im Detail behandeln.

Leinwandbindung
Die glatten Kohlefaserplatten haben ein symmetrisches Aussehen mit einem kleinen Schachbrettmuster. Bei dieser Webart sind die Fäden in einem Über-/Untermuster gewebt. Der kurze Abstand zwischen den Bindungen verleiht der Leinwandbindung eine hohe Stabilität. Unter Stoffstabilität versteht man die Fähigkeit eines Stoffes, seinen Webwinkel und seine Faserorientierung beizubehalten. Aufgrund dieser hohen Stabilität eignet sich Leinwandbindung weniger für Lagen mit komplexen Konturen und ist nicht so flexibel wie einige andere Stoffe. Im Allgemeinen eignet sich Stoff in Leinwandbindung für flache Laken, Rohre und zweidimensionale Kurven.

Ein Nachteil dieses Webmusters besteht darin, dass es aufgrund des kurzen Abstands zwischen den Verflechtungen (die Winkel, die die Fasern beim Weben bilden, siehe unten) zu einer starken Kräuselung der Stränge kommt. Durch starkes Crimpen entstehen Spannungskonzentrationen, die das Teil mit der Zeit schwächen.

Köperbindung
Twill ist die Brücke zwischen Leinwandbindung und Satinbindung, die wir als Nächstes besprechen. Twill-Stoff hat eine gute Flexibilität und kann komplexe Konturen bilden. Es ist hinsichtlich der Stabilität des Stoffes schlechter als Hosenträger-Satinstoff, aber nicht so gut wie Stoff mit Leinwandbindung. Wenn man bei einer Köperbindung den Wergsträngen folgt, durchläuft diese eine bestimmte Anzahl von Wergfäden und dann die gleiche Anzahl von Wergfäden. Das Auf-/Ab-Muster erzeugt das Aussehen eines diagonalen Pfeils, der als „Twill-Linie“ bezeichnet wird. Der längere Abstand zwischen den verflochtenen Strängen bedeutet weniger Kräuselungen und weniger potenzielle Spannungskonzentrationen im Vergleich zu Stoffen mit Leinwandbindung.

2×2-Twill ist wahrscheinlich das bekannteste Carbonfasergewebe der Branche. Es wird in vielen kosmetischen und dekorativen Anwendungen eingesetzt, ist aber auch hochfunktionell, es kombiniert mittlere Formbarkeit mit mittlerer Stabilität. Wie der 2×2-Name schon sagt, durchquert jeder Schleppzug zwei Schleppstränge und kreuzt dann beide Schleppstränge. Ebenso wird ein 4×4-Köper durch 4 Stränge und dann durch 4 Stränge gefädelt. Es lässt sich etwas besser formen als 2x2-Köper, da die Bindung nicht so fest ist, aber auch weniger stabil.

Geschirr satin
Die Satinbindung wurde vor Tausenden von Jahren entwickelt, um Seidenstoffe mit ausgezeichnetem Fall herzustellen, die gleichzeitig glatt und nahtlos aussehen. Bei Verbundwerkstoffen bedeutet diese Drapierbarkeit, dass sie leicht geformt und um komplexe Konturen gewickelt werden können. Da dieses Gewebe sehr formbar ist, ist seine Stabilität voraussichtlich gering. Zu den gängigen Litzensatinbindungen gehören 4-Litzensatin (4HS), 5-Litzensatin (5HS) und 8-Litzensatin (8HS). Mit zunehmender Satinbindung erhöht sich die Formbarkeit, während die Stoffstabilität abnimmt.

Spread Tow vs. Standard Tow
Spread-Tow-Materialien können einen guten Kompromiss zwischen der Verwendung unidirektionaler Materialien und standardmäßig geflochtenen Materialien darstellen. Wenn Faserstränge zu einem Stoff auf- und abgewebt werden, verringert sich die Festigkeit aufgrund der Kräuselung der Stränge. Wenn Sie die Anzahl der Filamente in einem Standardkabel erhöhen (z. B. von 3k auf 6k), wird das Kabel größer (dicker) und der Lockenwinkel wird rauer. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, die Filamente in breitere Kabel zu verteilen. Dies wird als Aufteilen der Kabel bezeichnet. Dies hat mehrere Vorteile.

Das Spreizen des Kabels sorgt für einen kleineren Lockenwinkel als beim Standard-Kabelflechten und kann Überkreuzungsdefekte reduzieren, indem es die Glätte erhöht. Ein geringerer Crimpwinkel führt zu einer höheren Festigkeit. Gespreizte Tow-Materialien sind außerdem einfacher zu verarbeiten als unidirektionale Materialien und bieten dennoch eine recht gute Verhinderung des Hochziehens der Fasern.

unidirektional
Wie der Name schon sagt, uni, was eins bedeutet, sind alle Fasern in die gleiche Richtung ausgerichtet. Dies bietet einige hochfeste Vorteile für unidirektionale (UD) Stoffe. UD-Gewebe ist nicht gewebt und weist keine gekräuselten, verwobenen Fasern auf, die die Struktur schwächen würden. Im Gegensatz dazu erhöhen Endlosfasern die Festigkeit und Steifigkeit. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Layup individuell anzupassen und so die Leistungsmerkmale besser zu kontrollieren. Fahrradrahmen sind ein großartiges Beispiel dafür, wie UD-Stoffe zur individuellen Leistungsanpassung eingesetzt werden können. Der Tretlagerbereich des Rahmens muss steif sein, um die Kraft des Fahrers auf die Räder zu übertragen, aber der Rahmen muss auch flexibel und flexibel sein, um Verletzungen des Fahrers zu vermeiden. Bei UD-Materialien können Sie die genaue Richtung der Fasern wählen, um die gewünschte Festigkeit zu erzielen.

Ein großer Nachteil von UD ist seine Manövrierfähigkeit. UD kann beim Auflegen leicht auseinanderfallen, da es keine verwobenen Fasern hat, die es zusammenhalten. Wenn die Fasern falsch platziert sind, ist es nahezu unmöglich, sie wieder richtig umzuleiten. Auch bearbeitete Teile aus UD-Gewebe können Probleme verursachen. Wenn an der Stelle, an der das Merkmal geschnitten wurde, Fasern hochgezogen werden, können diese losen Fasern das gesamte Teil hochziehen. Wenn ein UD-Material für die Laminierung ausgewählt wird, wird in der Regel eine Schicht aus gewebtem Material für die erste und letzte Schicht verwendet, um die Verarbeitbarkeit und Haltbarkeit des Teils zu verbessern. Dies reicht von Drohnenrahmen für Bastler bis hin zu Serienraketenteilen.