Anwendungen für CFK umfassen Folgendes:
Luft- und Raumfahrttechnikbearbeiten
Der Airbus A350 XWB besteht zu 52% aus CFK, einschließlich Flügelholmen und Rumpfkomponenten, und überholt damit den Boeing 787 Dreamliner für das Flugzeug mit dem höchsten Gewichtsverhältnis für CFK von 50%. Dies war eines der ersten Verkehrsflugzeuge mit Flügelholmen aus Verbundwerkstoffen. Der Airbus A380 war eines der ersten Verkehrsflugzeuge mit einem zentralen Flügelkasten aus CFK; Es ist das erste, das einen glatt konturierten Flügelquerschnitt hat, anstatt dass die Flügel spannenweise in Abschnitte unterteilt sind. Dieser fließende, durchgehende Querschnitt optimiert die aerodynamische Effizienz. Darüber hinaus bestehen die Hinterkante sowie das hintere Schott, das Leitwerk und der drucklose Rumpf aus CFK. Viele Verzögerungen haben jedoch die Liefertermine für Bestellungen aufgrund von Problemen bei der Herstellung dieser Teile verschoben. Bei vielen Flugzeugen, die CFK verwenden, kam es aufgrund der relativ neuen Verfahren zur Herstellung von CFK-Komponenten zu Verzögerungen bei den Lieferterminen, während metallische Strukturen seit Jahren in Flugzeugzellen untersucht und verwendet werden und die Prozesse relativ gut verstanden werden. Ein wiederkehrendes Problem ist die Überwachung der strukturellen Alterung, für die aufgrund der ungewöhnlichen Multimaterial- und Anisotropie von CFK ständig neue Methoden untersucht werden.
1968 war eine Hyfil-Kohlefaserlüfterbaugruppe auf dem Rolls-Royce Conways der von BOAC betriebenen Vickers VC10 im Einsatz.Spezialisierte Flugzeugkonstrukteure und Hersteller Scaled Composites haben CFK in ihrem gesamten Designbereich umfassend eingesetzt, einschließlich des ersten privaten bemannten Raumschiffs Spaceship One. CFK wird aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses häufig in Micro Air Vehicles (MAVs) eingesetzt.
Automobiltechnikbearbeiten
CFK werden in großem Umfang im High-End-Automobilrennsport eingesetzt. Die hohen Kosten von Kohlefaser werden durch das unübertroffene Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht des Materials gemildert, und ein geringes Gewicht ist für den Hochleistungs-Automobilrennsport unerlässlich. Rennwagenhersteller haben auch Methoden entwickelt, um Kohlefaserstücken in einer bestimmten Richtung Festigkeit zu verleihen, wodurch sie in einer tragenden Richtung stark werden, aber in Richtungen, in denen wenig oder keine Last auf das Element aufgebracht wird, schwach sind. Umgekehrt entwickelten die Hersteller omnidirektionale Kohlefasergewebe, die Festigkeit in alle Richtungen ausüben. Diese Art der Kohlefaserbaugruppe wird am häufigsten in der Monocoque-Chassisbaugruppe „Sicherheitszelle“ von Hochleistungsrennwagen verwendet. Das erste Kohlefaser-Monocoque-Chassis wurde in der Formel Eins von McLaren in der Saison 1981 eingeführt. Es wurde von John Barnard entworfen und in den folgenden Saisons von anderen F1-Teams aufgrund der zusätzlichen Steifigkeit des Fahrgestells der Autos weitgehend kopiert.
Viele Supersportwagen haben in den letzten Jahrzehnten CFK ausgiebig in ihre Herstellung integriert und es für ihr Monocoque-Chassis sowie für andere Komponenten verwendet. Bereits 1971 bot der Citroën SM optional leichte Kohlefaserräder an.
Die Verwendung des Materials wurde von Herstellern geringer Stückzahlen, die es hauptsächlich für die Herstellung von Karosserieteilen für einige ihrer High-End-Autos verwendeten, aufgrund seiner erhöhten Festigkeit und seines geringeren Gewichts im Vergleich zu dem glasfaserverstärkten Polymer, das sie für die Mehrheit ihrer Produkte verwendeten, leichter angenommen.
Civil engineeringEdit
CFK hat sich zu einem bemerkenswerten Material in bautechnischen Anwendungen entwickelt. In einem akademischen Kontext hinsichtlich seiner potenziellen Vorteile im Bauwesen untersucht, hat es sich auch in einer Reihe von Feldanwendungen für Beton-, Mauerwerk-, Stahl-, Gusseisen- und Holzkonstruktionen als kostengünstig erwiesen. Sein Einsatz in der Industrie kann entweder zur Nachrüstung zur Verstärkung einer bestehenden Struktur oder als alternatives Verstärkungsmaterial (oder Vorspannmaterial) anstelle von Stahl von Beginn eines Projekts an erfolgen.Nachrüstung ist die zunehmend dominierende Verwendung des Materials im Tiefbau geworden, und Anwendungen umfassen die Erhöhung der Tragfähigkeit von alten Strukturen (wie Brücken), die entworfen wurden, um weit niedrigere Betriebslasten zu tolerieren, als sie heute erleben, seismische Nachrüstung und Reparatur von beschädigten Strukturen. Die Nachrüstung ist in vielen Fällen beliebt, da die Kosten für den Austausch der defekten Struktur die Kosten für die Verstärkung mit CFK erheblich übersteigen können.Angewendet auf Stahlbetonkonstruktionen für Biegung, hat CFK typischerweise einen großen Einfluss auf die Festigkeit (Verdoppelung oder mehr der Festigkeit des Abschnitts ist nicht ungewöhnlich), aber nur eine moderate Zunahme der Steifigkeit (vielleicht eine 10% ige Zunahme). Dies liegt daran, dass das in dieser Anwendung verwendete Material typischerweise sehr stark ist (z. B. 3000 MPa Zugfestigkeit, mehr als das 10-fache von Weichstahl), aber nicht besonders steif (150 bis 250 GPa, etwas weniger als Stahl, ist typisch). Infolgedessen werden nur kleine Querschnittsflächen des Materials verwendet. Kleine Bereiche mit sehr hoher Festigkeit, aber mäßiger Steifigkeit erhöhen die Festigkeit erheblich, jedoch nicht die Steifigkeit.CFK kann auch angewendet werden, um die Scherfestigkeit von Stahlbeton zu verbessern, indem Gewebe oder Fasern um den zu verstärkenden Abschnitt gewickelt werden. Das Umwickeln von Abschnitten (z. B. Brücken- oder Gebäudesäulen) kann auch die Duktilität des Abschnitts verbessern und die Einsturzfestigkeit bei Erdbebenbelastung erheblich erhöhen. Eine solche ’seismische Nachrüstung‘ ist die Hauptanwendung in erdbebengefährdeten Gebieten, da sie viel wirtschaftlicher ist als alternative Methoden.
Wenn eine Säule kreisförmig ist (oder fast so), wird auch eine Erhöhung der axialen Kapazität durch Umwickeln erreicht. In dieser Anwendung erhöht die Begrenzung der CFK-Umhüllung die Druckfestigkeit des Betons. Obgleich große Zunahmen in der abschließenden Einsturzlast erzielt werden, bricht der Beton an nur etwas erhöhter Last, bedeutend, dass diese Anwendung nur gelegentlich verwendet wird. Spezialisiertes CFK mit ultrahohem Modul (mit einem Zugmodul von 420 GPa oder mehr) ist eine der wenigen praktischen Methoden zur Verstärkung von Gusseisenträgern. Bei typischer Verwendung ist es mit dem Zugflansch des Profils verbunden, wodurch sowohl die Steifigkeit des Profils erhöht als auch die neutrale Achse abgesenkt wird, wodurch die maximale Zugspannung im Gusseisen stark verringert wird.
In den Vereinigten Staaten machen vorgespannte Betonzylinderrohre (PCCP) die überwiegende Mehrheit der Wasserübertragungsleitungen aus. Aufgrund ihrer großen Durchmesser sind Ausfälle von PCCP in der Regel katastrophal und betreffen große Populationen. Ungefähr 19.000 Meilen (31.000 km) PCCP wurden zwischen 1940 und 2006 installiert. Korrosion in Form von Wasserstoffversprödung wurde für die allmähliche Verschlechterung der Vorspanndrähte in vielen PCCP-Leitungen verantwortlich gemacht. In den letzten zehn Jahren wurden CFK verwendet, um PCCP intern auszukleiden, was zu einem vollständig strukturellen Verstärkungssystem führte. Innerhalb einer PCCP-Linie fungiert die CFK-Auskleidung als Barriere, die die Belastung des Stahlzylinders im Wirtsrohr kontrolliert. Die Verbundauskleidung ermöglicht es dem Stahlzylinder, innerhalb seines elastischen Bereichs zu arbeiten, um sicherzustellen, dass die langfristige Leistung der Rohrleitung erhalten bleibt. CFK-Liner-Designs basieren auf Dehnungskompatibilität zwischen Liner und Wirtsrohr.CFK ist ein teureres Material als seine Gegenstücke in der Bauindustrie, glasfaserverstärktes Polymer (GFK) und aramidfaserverstärktes Polymer (AFRP), obwohl CFK im Allgemeinen als überlegene Eigenschaften angesehen wird. Es wird weiterhin viel daran geforscht, CFK sowohl für die Nachrüstung als auch als Alternative zu Stahl als Verstärkungs- oder Vorspannmaterial einzusetzen. Kosten bleiben ein Problem und langfristige Haltbarkeit Fragen bleiben noch. Einige sind besorgt über die Sprödigkeit von CFK im Gegensatz zur Duktilität von Stahl. Obwohl Designcodes von Institutionen wie dem American Concrete Institute erstellt wurden, gibt es in der Ingenieurgemeinschaft weiterhin Bedenken hinsichtlich der Implementierung dieser alternativen Materialien. Dies ist zum Teil auf mangelnde Standardisierung und die proprietäre Natur der Faser- und Harzkombinationen auf dem Markt zurückzuführen.
Kohlenstofffaser-Mikroelektrodenbearbeiten
Kohlenstofffasern werden zur Herstellung von Kohlenstofffaser-Mikroelektroden verwendet. In dieser Anwendung wird typischerweise eine einzelne Kohlenstofffaser mit einem Durchmesser von 5-7 µm in einer Glaskapillare versiegelt. An der Spitze wird die Kapillare entweder mit Epoxid versiegelt und poliert, um eine Kohlefaserscheiben-Mikroelektrode herzustellen, oder die Faser wird auf eine Länge von 75-150 µm geschnitten, um eine Kohlefaserzylinderelektrode herzustellen. Kohlenstofffaser-Mikroelektroden werden entweder in der Amperometrie oder in der zyklischen Fast-Scan-Voltammetrie zum Nachweis biochemischer Signale verwendet.
Sport warenbearbeiten
CFK wird heute häufig in Sportgeräten wie in squash, tennis, und badminton schläger, sport kite holme, hochwertige pfeil wellen, hockey sticks, angelruten, surfbretter, hohe ende schwimmen flossen, und rudern schalen. Amputierte Athleten wie Jonnie Peacock verwenden Kohlefaserblätter zum Laufen. Es wird als Schaftplatte in einigen Basketball-Sneakers verwendet, um den Fuß stabil zu halten, in der Regel die Länge des Schuhs knapp über der Sohle und links in einigen Bereichen, in der Regel im Bogen ausgesetzt.Kontrovers diskutiert wurden 2006 Cricketschläger mit einer dünnen Kohlefaserschicht auf der Rückseite eingeführt und in Pflichtspielen von hochkarätigen Spielern wie Ricky Ponting und Michael Hussey eingesetzt. Die Kohlefaser soll lediglich die Haltbarkeit der Schläger erhöhen, wurde jedoch 2007 vom ICC aus allen erstklassigen Spielen verbannt.
Ein CFK-Fahrradrahmen wiegt weniger als ein aus Stahl, Aluminium oder Titan gleicher Festigkeit. Die Art und Ausrichtung des Kohlefasergewebes kann so ausgelegt sein, dass die Steifigkeit in den erforderlichen Richtungen maximiert wird. Rahmen können auf verschiedene Fahrstile abgestimmt werden: Sprint-Events erfordern steifere Rahmen, während Ausdauer-Events flexiblere Rahmen für Fahrerkomfort über längere Zeiträume erfordern. Die Vielfalt der Formen, in die es eingebaut werden kann, hat die Steifigkeit weiter erhöht und auch aerodynamische Rohrabschnitte ermöglicht. CFK-Gabeln einschließlich Federgabelkronen und -gabeln, Lenker, Sattelstützen, und Kurbelarme werden bei mittel- und höherpreisigen Fahrrädern immer häufiger. CFK-Felgen bleiben teuer, aber ihre Stabilität im Vergleich zu Aluminium reduziert die Notwendigkeit, ein Rad neu zu montieren, und die reduzierte Masse verringert das Trägheitsmoment des Rades. CFK-Speichen sind selten und die meisten Carbon-Radsätze behalten traditionelle Edelstahlspeichen bei. CFK findet sich zunehmend auch in anderen Bauteilen wie Schaltwerksteilen, Brems- und Schalthebeln und -körpern, Kassettenradträgern, Aufhängungsgestängen, Scheibenbremsscheiben, Pedalen, Schuhsohlen und Sattelschienen. Obwohl stark und leicht, hat der Aufprall, das Überdrehen oder die unsachgemäße Installation von CFK-Komponenten zu Rissen und Ausfällen geführt, die schwierig oder unmöglich zu reparieren sind.
Andere Anwendungenbearbeiten
Die Feuerbeständigkeit von Polymeren und thermofixierten Verbundwerkstoffen wird deutlich verbessert, wenn eine dünne Schicht aus Kohlenstofffasern oberflächennah geformt wird, da eine dichte, kompakte Schicht aus Kohlenstofffasern die Wärme effizient reflektiert.CFK wird in einer zunehmenden Anzahl von High-End-Produkten verwendet, die Steifigkeit und geringes Gewicht erfordern, dazu gehören:Musikinstrumente, einschließlich Geigenbögen; Plektren, Hälse (Kohlefaserstäbe) und Pick-Guards; Trommelschalen; Dudelsack-Chanter; und ganze Musikinstrumente wie Luis und Clarks Kohlefaser-Celli, Bratschen und Violinen; und Blackbird Guitars Akustikgitarren und Ukulelen; auch Audiokomponenten wie Plattenspieler und Lautsprecher.Schusswaffen verwenden es, um bestimmte Metall-, Holz- und Glasfaserkomponenten zu ersetzen, aber viele der inneren Teile sind immer noch auf Metalllegierungen beschränkt, da aktuelle verstärkte Kunststoffe ungeeignet sind.