Das Verständnis des Carbonfasermoduls

Sind Sie von der mangelnden Steifigkeit von Kohlefasermaterialien betroffen, wenn Sie die Steifigkeit und Festigkeit von Karosserierahmenstrukturen und Sportgeräten erhöhen möchten? Der Modul von Kohlefaser ist der Schlüssel zur Lösung dieser Einschränkungen.

Dieser Leitfaden führt Sie zu einer detaillierten Analyse der Definition, des Modulgrades, der Einflussfaktoren, der Anwendungen usw. und bietet Ihnen eine Referenz für Ihre Materialauswahl. Er hilft Ihnen, Produkte mit höherer Leistung zu entwickeln.

1. Was ist Modul (Elastizitätsmodul)?

Modul, üblicherweise Elastizitätsmodul oder Youngscher Modul genannt. Er bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen elastische Verformung während der elastischen Verformungsphase und ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung. Er ist ein Indikator für die Materialsteifigkeit und wird in GPa oder MSI angegeben.

Der Elastizitätsmodul wird im Allgemeinen verwendet, um die Steifheit eines Materials zu messen, während die Zugfestigkeit die Fähigkeit eines Materials widerspiegelt, einem Bruch unter Belastung zu widerstehen

2. Modulklassen von Kohlefasern

Kohlenstofffasern werden im Allgemeinen nach der Höhe des Moduls in die folgenden Klassen eingeteilt:

• Standardmodul: Dies ist der am häufigsten verwendete und meistverwendete Kohlefasertyp mit einem MSI-Bereich von 33–35
• Mittlerer Modul: Sein Modul und seine Festigkeit sind etwas höher und liegen im Allgemeinen zwischen 42 und 47 MSI
• Hoher Modul: Es wurde einem kontinuierlichen Hochtemperatur-Karbonisierungsprozess von über 2000 °C unterzogen und weist eine relativ hohe Steifigkeit auf, die im Allgemeinen zwischen 55 und 60 MSI liegt.
• Ultrahochmodul: Es erfordert eine Ultrahochtemperatur-Wärmebehandlung von 3000–3500 °C, daher sind die Kosten extrem hoch. Es ist sehr spröde und weist eine extrem niedrige Verformungsrate auf. Es wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und hat einen Modul von 110–135 MSI.

3. Faktoren, die den Carbonfasermodul beeinflussen

Viele Faktoren beeinflussen den Modul von Kohlefasern: 

• Vorläufertyp: 

Zu den Vorläufern von Kohlenstofffasern gehören im Allgemeinen Pan, Erdölasphalt, Viskosefasern usw. Pan ist der am häufigsten verwendete Rohstoff für die Herstellung von Kohlenstofffasern mit Standardmodul. Asphaltkohlenstofffasern mit Asphalt als Rohstoff zeichnen sich durch Eigenschaften wie einen hohen Modul und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.

• Vorbereitungsprozess:

Die Herstellung von Kohlefasern erfordert verschiedene Prozesse, von der Rohseidenaufbereitung über die Voroxidationsstabilisierung, Hochtemperaturkarbonisierung, Graphitierung, Oberflächenbehandlung bis hin zur Schlichte. Mit zunehmender Komplexität des Produktionsprozesses steigt die erforderliche Temperatur kontinuierlich an, was zu einer kontinuierlichen Veränderung des Moduls der Kohlefaser führt.

• Faserorientierung:

Der Modul von Kohlenstofffasern ist in Faserrichtung sehr hoch, in Querrichtung jedoch sehr niedrig. Dies führt zur Anisotropie des Kohlenstofffasermaterials. Daher kann bei der Herstellung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen oder -komponenten eine Änderung der Faserverlegungsrichtung zu einer Änderung des Moduls führen.

• Harzmatrixtyp:

Als Matrix von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen bestimmt Harz die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe. Beispielsweise ist der Modul von Epoxidharz niedrig, was die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs in vertikaler Richtung begrenzt. PEEK und Polyimid haben einen höheren Modul und werden üblicherweise als Matrix für die Herstellung von hochmoduligen Verbundwerkstoffen verwendet.

4. Anwendung des Carbonfasermoduls

• Luft- und Raumfahrt:

Hochmodulige, kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden üblicherweise in Flugzeugrümpfen, Drohnenrahmen und Satellitenrahmenstrukturen eingesetzt. Ihre überlegene Steifigkeit, Dimensionsstabilität und ihr geringes Gewicht können Treibstoff sparen und die Tragfähigkeit erhöhen.

• Automobilherstellung:

Mittelmodulige Kohlefaserverbundwerkstoffe werden in Karosserierahmen, Fahrwerksstrukturen und Bremssystemen eingesetzt. Die leichten, hochfesten und hochsteifen Fahrzeuge verbessern die Kraftstoffeffizienz und gewährleisten die Sicherheit.

• Outdoor-Sportausrüstung:

Standardmodul-Kohlefasermaterial ist kostengünstiger und bietet ein breiteres Anwendungsspektrum. Es wird üblicherweise zur Herstellung von Hochleistungsfahrradrahmen, Golfschlägern, Pickleball-Schlägern, Paddeln und anderen Sportgeräten verwendet. Es kann die Lebensdauer Ihrer Produkte erhöhen und die Wirtschaftlichkeit sowie die Geräteleistung bei guter Steifigkeit verbessern.

• Präzises Instrument

Ultrahochmoduliger Kohlefaserverbundwerkstoff zeichnet sich durch hervorragende Steifigkeit, Festigkeit und thermische Eigenschaften aus. Daher eignet er sich für optische Instrumentenhalterungen, Messgeräte und Stative, bei denen Datengenauigkeit erforderlich ist. Er gewährleistet sehr geringe Verformungsraten und präzise Datenmessungen.

5. Herausforderung und Lösung

Herausforderung 1: Die Kosten für hochmodulige Carbonfasermaterialien sind hoch

Wir alle wissen, dass der Herstellungsprozess umso komplexer, der Energieverbrauch und die Kosten umso höher sind, je höher der Modul von Kohlefasermaterialien ist.

Lösung:

Führen Sie moderne Geräte ein, verbessern Sie Herstellungstechniken und -prozesse und steigern Sie die Produktionsleistung von Kohlefasermaterialien und bringen Sie diese in Massenproduktion.

Herausforderung 2: Anisotropie führt zu ungleichmäßiger Leistung

Die unterschiedlichen Eigenschaften der Kohlenstofffaser in Quer- und Längsrichtung führen zu ihrer Anisotropie, die ihre breite Anwendung einschränkt.

Lösung:

Optimieren Sie das Layup-Design mithilfe von Multilayer- und Cross-Layup. Aufgrund der Gleichgewichtsanisotropie kann es zu Leistungseinbußen kommen.

Herausforderung 3: Sprödigkeitsproblem

Je höher der Modul der Kohlefaser ist, desto höher ist ihre Steifigkeit und desto größer ist ihre Sprödigkeit, was ihre Anwendung einschränkt.

Lösung:

Es weist eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in Querrichtung auf, bricht und delaminiert jedoch unter Belastung sehr leicht. Daher wird bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Kohlefaser das Lagendesign optimiert und Kreuz- und Mehrwinkellagenverfahren eingesetzt, um die Sprödigkeit zu verbessern und die Zähigkeit zu erhöhen.

Herausforderung 4: Modul- und Festigkeitsgleichgewicht.

Mit zunehmendem Modul der Kohlefaser nimmt nicht unbedingt auch die Festigkeit des Materials zu.

Lösung:

Wir können den richtigen Kohlefasertyp und die richtige Harzmatrix für Ihre spezielle Anwendung auswählen.

6. Fazit

Bevor Sie das richtige Kohlefasermaterial auswählen, benötigen Sie ein umfassendes Verständnis des Kohlefasermoduls. Dies hilft Ihnen, mechanische und thermische Eigenschaften im Design präzise auszubalancieren. Dies verbessert die Leistung Ihres Produkts, verlängert seine Lebensdauer und verschafft Ihnen einen Wettbewerbsvorteil.

Bei Fragen stehen wir Ihnen jederzeit mit professioneller Lösungsgestaltung und Datenunterstützung zur Seite!