Geschichte der Kohlefaser

Geschichte der Kohlefaser

Strom, Glühbirnen, Edison und Speck

Kohlenstofffasern wurden erstmals 1860 verwendet, um einen Lichtbogen zwischen zwei geladenen, leitenden Kohlenstoffstäben zu erzeugen. Elektrizität war damals eine Art Zirkusshow, und Kohlefaser, wie sie genannt wurde, hatte absolut nichts mit der Bereitstellung der Hochleistungsfunktionen zu tun, die wir heute kennen. Die Hitzebeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern werden jedoch in der Beleuchtung genutzt und helfen so, durch „Pyrolyse“ die Bausteine ​​zu finden, aus denen Kohlenstofffasern entstehen. Im Jahr 1879 nutzte Thomas Edison die Pyrolyse zur Herstellung von Kohlefaserfäden, die dann als Elektroden in der ersten Glühbirne verwendet wurden. Diese Filamente, die aus Verunreinigungen in verbrannten Baumwoll- und Bambusfasern gewonnen werden, sind letztendlich die eigentlichen Kohlenstofffasern, die Strom leiten.

Erst 1958 stellte der Physiker Roger Bacon durch einen Pyrolyseprozess die ersten Hochleistungs-Kohlenstofffaser-Whisker her. Durch die Untersuchung des Schmelzens von Graphit unter hoher Temperatur und hohem Druck entdeckte Bacon die Chemie hinter der kohlenstofffaserverstärkten sechseckigen Struktur. Diese kohlenstoffreiche Struktur wird dann vervielfacht, zu einer Folie geformt und kontinuierlich über die gesamte Länge der Faser gerollt. Die Schnurrhaare von Bacon produzieren die steifsten und stärksten Fasern, die es auf der Welt gibt. Einige Jahre später stellte Bacon ein kommerzielles Produkt unter Verwendung eines Vorläufers auf Viskosebasis her. Die mechanischen Möglichkeiten der Kohlefaser greifen endlich um sich. Die Produktionskosten dieser Entdeckung waren jedoch astronomisch. Um am Leben zu sein,

Pitch und Pan

In den 70er Jahren begann man, die fantasievollen Eigenschaften von Kohlefaser in industriellen Umgebungen zu verwirklichen. Leonard Singer entdeckte Kohlenstofffasern auf „Pech“-Basis, indem er die Karbonisierung von Materialien auf Erdöl- und Kohlebasis untersuchte. Bitumen ist eine teerartige Substanz, die durch Erhitzen von Erdöl (Öl) zu einer Substanz mit hohem Kohlenstoffgehalt entsteht. Durch Strecken der Pechmoleküle und deren Verarbeitung bei hohen Temperaturen werden sie zu hochkristallinen Kohlenstofffasern angeordnet. Das Aufkommen pechbasierter Kohlenstofffasern führte zu einem extrem hohen Modul (Steifigkeit) und einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die alle für Anwendungen erforderlich sind, die hohen Temperaturen in Flugzeugen ausgesetzt sind. Obwohl die Verarbeitung sehr kostspielig ist, finden die auf Pech basierenden Kohlenstofffasern von Singer Verwendung in Hochtemperaturanwendungen.

Unterdessen erweiterte der japanische Wissenschaftler Akio Shindo die Kohlenstofffaserforschung in Japan mithilfe einer hochreinen Form von Polyacrylnitril (PAN) auf Erdölbasis. PAN, der heute gebräuchlichste Kohlenstofffaservorläufer, erzeugt einen hohen Grad an Kristallinität in der Faser und ist dennoch zäher als jemals zuvor bei Kohlenstofffasern auf Pech- oder Rayonbasis. Das PAN-Vorläuferverfahren von Shindo ist außerdem bei der Herstellung hochwertiger Kohlenstofffasern kostengünstiger als Fasern auf Pech- oder Viskosebasis.

Betreten Sie den Mainstream

In den 1980er und 1990er Jahren zeichnete sich heute deutlich eine globale Perspektive auf Luft- und Raumfahrtanwendungen ab, von der Regierung bis hin zu kommerziellen Kunden. Dies hat zu einem exponentiellen Wachstum der Kohlefaseroptionen für diese Branchen geführt. Dies liegt daran, dass eine erhebliche Gewichtsreduzierung des Flugzeugs zu einer höheren Leistung und Treibstoffeffizienz des Flugzeugs und sogar der Triebwerkskomponenten führt. Ingenieure begannen, an leichteren, stärkeren und schnelleren Konzepten zu arbeiten. Derzeit werden Ersatzteile aus Kohlefasermaterial entwickelt, um Teile aus Stahllegierungen und Aluminium zu ersetzen. Allerdings ist Kohlefaser im Vergleich zu den früher für die Metallherstellung bekannten subtraktiven Bearbeitungsverfahren ein schwer zu bearbeitendes Material. Mit der Zeit, die mit dem Erlernen und Verstehen von Methoden zur Herstellung von Kohlefasern verbracht wurde, nahm die Anzahl der Metallteile ab und wurde in jedem neu entwickelten Flugzeug seltener. Mit der Weiterentwicklung der Herstellungsmethoden entwickelt sich auch die Herstellung der Fasern selbst weiter. All dies hat zu einem Boom dieser Form des schwarzen Goldes geführt und zu einer höheren Nachfrage geführt.

Aufgrund seiner verbesserten Herstellungs- und Verarbeitungseigenschaften wird Carbonfaser heute weltweit in großem Umfang in industriellen Bereichen eingesetzt. Eine stetige Erhöhung des höheren Kohlenstoffgehalts, teilweise über 90 Prozent Kohlenstoff, bringt die Vorteile einer erhöhten Festigkeit mit sich und ist gleichzeitig kostengünstiger für den Markt. Aufgrund von Verbesserungen in der Technik und Prozesskontrolle ist der Kostenfaktor von Carbonfasern deutlich gesunken. Der Einsatz von Kohlefaser geht über Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hinaus und ist heute eine praktikable Lösung für eine wachsende Zahl von Branchen, darunter Motorsport, Bootfahren, Sportartikel, Bauwesen und sogar Möbel. Vor fünfzig Jahren dachte niemand daran, einen Schreibtisch aus Kohlefaser zu besitzen. Selbst die Herstellung dieser Menge roher Kohlenstofffasern würde Millionen von Dollar kosten. Heutzutage ist die Anwendung von Kohlefaser nur noch auf unsere menschliche Vorstellungskraft beschränkt.