Wie wird Kohlefaser hergestellt?

1. Was ist Kohlefaser und warum wird sie benötigt?

Kohlefaser ist ein kohlenstoffreiches Hochleistungsfilament, das typischerweise 92–99 % Kohlenstoff enthält. Seine Atome bilden hochausgerichtete mikrokristalline Strukturen, die ihm außergewöhnliche mechanische und thermische Eigenschaften verleihen:

Hohe Zugfestigkeit – stärker als Stahl, bezogen auf das Gewicht

Hoher Elastizitätsmodul (Steifigkeit) – widersteht Verformung unter Last

Geringe Dichte – etwa 1/4 des Gewichts von Stahl

Hervorragende Ermüdungsbeständigkeit – behält die Leistung bei wiederholter Belastung bei

Hohe Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit – ideal für raue Umgebungen

Thermische Stabilität – hängt von der Fasersorte und dem Harzsystem ab

Zu den Anwendungen gehören:

Luft- und Raumfahrt- und UAV-Strukturen

Rotorblätter von Windkraftanlagen

Automobil-Leichtbauteile

Hochwertige Fahrräder und Sportgeräte

Marine- und Bootskonstruktionen

Industriemaschinen und Robotik

Elektronik und medizinische Geräte

Für ein Unternehmen wie JLON Composite, das Kohlefasergewebe, UD-Bänder und Prepregs liefert, hilft das Verständnis dieser Eigenschaften dabei, den Kunden einen Mehrwert zu vermitteln und das richtige Material für jede Anwendung auszuwählen.

2. Ursprung der Kohlefaser – Auswahl des richtigen Vorläufers

Kohlenstofffasern entstehen nicht direkt aus Kohlenstoff. Es beginnt mit einem polymeren Vorläufer, der sorgfältig zu Fasern verarbeitet wird. Die Wahl des Vorläufers bestimmt Leistung, Kosten und Verarbeitungskomplexität.

2.1 PAN-basierte Fasern (Polyacrylnitril)

Dominiert >90 % des Weltmarktes

Hohe Zugfestigkeit und stabile Eigenschaften

Weit verbreitet in strukturellen Verbundwerkstoffen

JLON Composite verwendet hauptsächlich PAN-basierte Fasern für unsere Stoffe, UD-Tapes und Prepregs

2.2 Pechbasierte Fasern

Ultrahoher Modul

Hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit

Häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie bei wärmeleitenden Anwendungen

Steifer, aber im Allgemeinen geringere Zugfestigkeit als PAN-Fasern

2.3 Fasern auf Viskosebasis

Früher verwendet, heute selten

Geringere Leistung im Vergleich zu PAN- oder pechbasierten Fasern

In den meisten technischen Anwendungen sind PAN-basierte Fasern die Standardwahl, während pechbasierte Fasern für spezielle Hochmodul- oder thermische Anwendungen verwendet werden.

3. Schritt-für-Schritt-Kohlenstofffaserherstellung

Lassen Sie uns nun in den gesamten Produktionsprozess eintauchen und erklären, warum jeder Schritt entscheidend ist.

3.1 Vorläufervorbereitung (Polymerisation → Spinnen → Waschen → Strecken → Schlichten)

Polymerisation

Monomere wie Acrylnitril (AN) werden mit geringen Mengen an Comonomeren kombiniert

Die radikalische Polymerisation erfolgt bei kontrollierten Temperaturen (~40–70 °C).

Kritische Parameter: Molekulargewicht, Polydispersität, Reinheit

Zweck: Sorgt für spinnbare Polymerketten und eine gleichmäßige Faserstruktur

Spinnen

Die Polymerlösung wird durch Spinndüsen in ein Koagulationsbad extrudiert

Filamente verfestigen sich, wenn Lösungsmittel ausdiffundiert

Wichtige Punkte: Filamentdurchmesser, Gleichmäßigkeit des Querschnitts, Fehlerfreiheit

Waschen

Entfernt Lösungsmittelreste, um Blasen oder Schwachstellen beim Erhitzen zu vermeiden

Dehnen

Die Fasern werden bei kontrollierter Temperatur um das 5- bis 10-fache gedehnt

Richtet Molekülketten aus und steigert Festigkeit und Modul

Größenbestimmung

Die Schutzbeschichtung verbessert die Handhabung, verringert die Reibung und gewährleistet die Kompatibilität mit späteren Prozessen und Harzen

Am Ende dieser Phase verfügen Sie über hochwertige PAN-Vorläuferfasern, die zur Stabilisierung bereit sind.

3.2 Stabilisierung (Oxidation, 200–300 °C in Luft)

3.3 Karbonisierung (1000–1500 °C in inerter Atmosphäre)

Stabilisierte Fasern gelangen in einen Stickstoff- oder Argonofen

-Kohlenstoffatome (H, O, N) werden entfernt

Kohlenstoffatome ordnen sich zu turbostratischen Graphitschichten um

Fasern schrumpfen, verdichten sich und werden schwarz

Ergebnis: Kohlenstofffasern mit Standardmodul, die für die meisten Strukturanwendungen geeignet sind.

3.4 Graphitisierung (optional, 2000–3000 °C für High-Modulus-Fasern)

Für Anwendungen, die eine extrem hohe Steifigkeit erfordern, werden Fasern einer Graphitierung unterzogen

Erhöht die Kristallitgröße und verbessert den Modul

Wird in der Luft- und Raumfahrt, Robotik, Satelliten und Präzisionsinstrumenten verwendet

3.5 Oberflächenbehandlung

Kohlenstofffasern sind chemisch inert und erfordern eine Funktionalisierung, um sich mit Harzen zu verbinden

Methoden: elektrochemische Oxidation, Gasphasen- oder Flüssigkeitsoxidation

Führt funktionelle Gruppen ein (–OH, –COOH, –C=O)

Vorteil: Verbessert die Grenzflächenscherfestigkeit (ILSS) in Verbundwerkstoffen

3.6 Leimung (Endbeschichtung)

Zweite Leimung passend zum vorgesehenen Harzsystem (Epoxidharz, Vinylester, Thermoplast) aufgetragen

Vorteile: bessere Benetzung, einfacheres Weben, höhere Laminatfestigkeit

Entscheidend für UD-Gewebe, Prepregs und Multiaxial-Gewebe von JLON Composite

3.7 Spooling und Qualitätskontrolle

Fasern werden zu Kabeln (1K–50K) gesammelt und unter kontrollierter Spannung auf Spulen gewickelt

Zu den QC-Prüfungen gehören:

Anzahl und Durchmesser der Filamente

Zugfestigkeit und Zugmodul

Dimensionierung von Inhalten

Fehlerrate

JLON Composite stellt sicher, dass Kunden gleichbleibend hochwertige Fasern erhalten, die für anspruchsvolle FRP-Anwendungen geeignet sind.

4. Faktoren, die die Leistung von Kohlefasern beeinflussen

Vorläuferqualität – Molekulargewicht, Reinheit

Thermische Profile – Stabilisierung, Karbonisierung, Graphitisierung

Spannungskontrolle – sorgt für eine gleichmäßige Mikrostruktur

Oberflächenbehandlung und Leimung – beeinflusst die Haftung und die Verbundleistung

Kabelgröße (K-Anzahl) – beeinflusst das Stoffgewicht und die Prepreg-Eigenschaften

5. Warum Kohlefaser teuer ist

6. Hinweise zu Anwendungen und Materialauswahl

JLON Composite unterstützt ein breites Anwendungsspektrum:

Luft- und Raumfahrt: hochfest, kleines Kabel (3K–6K), hoher Modul

Rotorblätter von Windkraftanlagen: ermüdungsbeständige, lange Endlosfasern

Leichtbau im Automobilbereich: Kosten und Leistung in Einklang bringen (12.000–24.000 Schlepper)

Marine-/Bootsstrukturen: Korrosionsbeständigkeit, Dimensionsstabilität

Sportgeräte: Oberflächenqualität, spezifische Steifigkeit für Leistung

Wir bieten auch ergänzende Materialien und Lösungen an:

Gewebte Carbongewebe (3K/6K/12K)

UD-Bänder

Multiaxiale Stoffe

Prepregs

Kernmaterialien (PVC, PET, PMI-Schaum)

RTM- und vakuumunterstützte Formunterstützung

7. Branchentrends und zukünftige Entwicklungen

Die inländische PAN- und Kohlefaserproduktion nimmt zu, was die Kosten senkt und die Zuverlässigkeit der Lieferkette verbessert

Größere Kabelgrößen (50K/100K) reduzieren die Stückkosten für Komponenten im industriellen Maßstab

Integrierte Verbundlösungen (Faser + Kern + Harz) verkürzen Design- und Produktionszyklen

Es entstehen nachhaltige/thermoplastische Verbundwerkstoffe, die recycelbare und umweltfreundliche Alternativen bieten

8. Beschaffungs- und Designempfehlungen

Abschluss

Kohlefaser ist weit mehr als ein „schwarzes Filament“ – es ist ein hochentwickeltes Material, das sorgfältig hergestellt wird durch:

Herstellung von Polymervorläufern

Filamentspinnen und -dehnen

Mehrzonen-Wärmestabilisierung

Karbonisierung und optionale Graphitisierung

Oberflächenbehandlung und Dimensionierung

Qualitätskontrolle und Spulen

Wenn Sie jeden Schritt verstehen, können Sie intelligentere Materialentscheidungen treffen, Lieferanten effektiver bewerten und die Leistung von Verbundwerkstoffen maximieren.

JLON Composite ist bestrebt, leistungsstarke Kohlefasern, Stoffe, UD-Bänder und Prepregs zu liefern – zusammen mit dem technischen Wissen und der Anleitung, die Sie für den Erfolg Ihrer Projekte benötigen.