Contact opnemen
Nederlands 
Pure koolstofstof: de complete waarheid
Koolstofvezel is niet 100% pure koolstof, maar puur koolstofweefsel komt in de buurt en bereikt een koolstofgehalte van 92-99% na carbonisatie bij hoge temperatuur. De duurzaamheid is te danken aan het unieke grafietkristalrooster dat tijdens dat proces ontstaat – een van de sterkste moleculaire architecturen in de natuur.
Is koolstofvezel gemaakt van pure koolstof?
Koolstofvezel is niet vanaf het begin gemaakt van pure elementaire koolstof; het wordt omgezet in koolstofrijk materiaal via een gecontroleerd hogetemperatuurproces dat carbonisatie wordt genoemd. Het precursormateriaal is bijna altijd polyacrylonitril (PAN), een polymeer dat koolstof-, waterstof- en stikstofatomen bevat. Tijdens pyrolyse wordt alles behalve koolstof als gas verdreven, waardoor een uitgelijnde, kristallijne koolstofstructuur achterblijft.
De resulterende vezel bestaat uit 92-99 massaprocent koolstof. De resterende 1–8% bestaat voornamelijk uit stikstof- en zuurstofatomen die niet volledig zijn vervluchtigd. Hoe hoger de verwerkingstemperatuur, hoe zuiverder (en stijver) de resulterende vezel. Dit is de reden waarom vezels met ultrahoge modulus die boven 2.500 °C worden verwerkt een koolstofgehalte van 99% kunnen bereiken, terwijl vezels met standaardmodulus die rond 1.000–1.500 °C worden verwerkt dichter bij de 92–95% blijven.
| Vezelkwaliteit | Verwerkingstemp | Koolstofzuiverheid | Trekmodulus | Primaire toepassing |
| Standaardmodulus (SM) | 1.000–1.500°C | 92–95% | 230–240 GPa | Algemene composieten, sportartikelen |
| Tussenliggende modulus (IM) | 1.200–1.700°C | 95–97% | 270–310 GPa | Lucht- en ruimtevaartstructuren, drukvaten |
| Hoge modulus (HM) | 2.000–2.500°C | 97–98% | 350–450 GPa | Satellietstructuren, precisie-optica |
| Ultrahoge modulus (UHM) | 2.500–3.000°C | 98–99% | 500–900 GPa | Ruimtevaarttoepassingen, stijfheidskritieke onderdelen |
Bevatten stoffen koolstof?
Alle textielvezels zijn gemaakt van organische verbindingen en alle organische verbindingen bevatten per definitie koolstofatomen. Katoen, polyester, nylon, wol, zijde: elke conventionele stof is in wezen een koolstofhoudend polymeer. De koolstof in deze materialen is echter gebonden in moleculen met lange ketens, waardoor ze zachtheid en flexibiliteit krijgen, en geen structurele stijfheid of treksterkte.
Koolstofvezelstof is categorisch anders. In plaats van koolstof opgesloten in een polymeerskelet, bestaat de vezel zelf bijna volledig uit koolstof, gerangschikt in turbostratische of grafietkristalvlakken die parallel lopen aan de vezelas. Dit is wat scheidt puur koolstofweefsel van elk ander textiel: het is niet alleen een materiaal dat koolstof bevat, het is een materiaal dat koolstof is.
Met koolstof versterkte stoffen: een groeiende categorie
Naast structurele koolstofvezels bevat een groeiende categorie van met koolstof versterkte textielsoorten ook koolstof op coating- of mengniveau. Deze omvatten actieve koolstofstoffen die worden gebruikt in chemische beschermingspakken, slimme stoffen met koolstofnanobuisjes voor geleidbaarheid en met grafeen gecoat textiel voor thermisch beheer. Geen van deze komt overeen met pure koolstofvezel wat betreft structurele prestaties, maar ze breiden de rol van koolstof uit in de textielindustrie.
| Soort stof | Koolstofgehalte | Koolstof rol | Structurele prestaties |
| Katoen / Natural fibers | 40-45 massaprocent | Onderdeel van cellulosepolymeer | Geen (koolstof niet structureel) |
| Synthetische vezels (PET, PA) | 60-75 massaprocent | Onderdeel van polymeerruggengraat | Geen (polymeerstructuur, geen koolstof) |
| Actieve koolstofstof | 80-90 massaprocent | Adsorberend oppervlak | Laag — filtratie, niet dragend |
| Geweven stof van koolstofvezel | 92-99 massaprocent | Dragende kristalstructuur | Uitzonderlijk — primair structureel |
Waarom is koolstofvezel zo duurzaam?
De buitengewone duurzaamheid van koolstofvezel – en bij uitbreiding, puur koolstofweefsel – komt voort uit drie in elkaar grijpende mechanismen: de sterkte van covalente koolstof-koolstofbindingen, de kristallijne uitlijning van die bindingen langs de vezelas, en de volledige afwezigheid van de faalwijzen die metalen en polymeren beperken.
De C-C-binding heeft een dissociatie-energie van ongeveer 347 kJ/mol – een van de sterkste afzonderlijke bindingen tussen twee atomen. In grafietkoolstofvezels zijn veel van deze bindingen sp2-gehybridiseerd, waardoor een vlak hexagonaal netwerk ontstaat met een nog hogere bindingsenergie in het vlak (ongeveer 524 kJ/mol voor het grafeen-pi-systeem). Dit maakt individuele koolstofvezelfilamenten buitengewoon resistent tegen trekfouten.
De grafietkristalvlakken van koolstofvezel worden tijdens de productie bij voorkeur evenwijdig aan de lange as van de vezel uitgelijnd. Wanneer trekbelasting wordt uitgeoefend langs de vezel, zijn de sterkste bindingen in het kristalrooster degene die de belasting dragen. Deze directionele optimalisatie is de belangrijkste reden waarom koolstofvezel wordt gebruikt in unidirectionele en geweven vormen: de vezeloriëntatie bepaalt waar de sterkte wordt ingezet.
Metalen bezwijken onder herhaalde cyclische belasting door een proces dat de voortplanting van vermoeiingsscheuren wordt genoemd: microscopisch kleine scheuren groeien bij elke belastingscyclus totdat ze breken. Koolstofvezelcomposieten verspreiden scheuren niet op dezelfde manier; belasting wordt rond schade overgedragen via de matrix en aangrenzende vezels. Koolstofvezelcomponenten in de lucht- en ruimtevaart bereiken routinematig 10 miljoen belastingscycli bij 60% van de uiteindelijke sterkte voordat ze meetbare degradatie vertonen - prestaties die geen enkele aluminiumlegering kan evenaren bij een gelijkwaardig gewicht.
In tegenstelling tot staal of aluminium oxideert of corrodeert koolstofvezel niet onder normale atmosferische omstandigheden. De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) is bijna nul of zelfs licht negatief langs de vezelas – wat betekent dat structuren gemaakt van puur koolstofweefsel maattoleranties binnen micrometers kunnen handhaven over temperatuurbereiken die staal met millimeters zouden uitzetten. Dit is de reden waarom koolstofvezel wordt gebruikt in telescoopspiegels, satellietstructuren en precisiemachineonderdelen.
Koolstofvezel versus concurrerende structurele materialen
| Materiaal | Treksterkte (MPa) | Dichtheid (g/cm³) | Specifieke sterkte | Corrosiebestendigheid |
| Koolstofvezel (T700) | 3.500 | 1.80 | 1.944 kNm/kg | Uitstekend - inert |
| Staal (AISI 4340) | 1.080 | 7.85 | 138 kNm/kg | Slecht - roest |
| Aluminium 7075-T6 | 572 | 2.81 | 204 kNm/kg | Matig – oxideert |
| Titaan (Ti-6Al-4V) | 950 | 4.43 | 214 kNm/kg | Zeer goed |
| E-glasvezel | 3.450 | 2.58 | 1.337 kNm/kg | Goed |
De kolom voor specifieke sterkte (treksterkte gedeeld door dichtheid) is de meest bruikbare vergelijking voor structurele toepassingen: deze laat zien hoe sterk een materiaal is per gewichtseenheid. De specifieke sterkte van koolstofvezel van 1.944 kNm/kg is 14 keer hoger dan die van constructiestaal en bijna 10 keer hoger dan aluminium van ruimtevaartkwaliteit.
Weefpatronen in pure koolstofgeweven stof
De manier waarop individuele koolstofvezelkabels worden geweven, bepaalt zowel de mechanische eigenschappen als het visuele uiterlijk van de afgewerkte stof. Elk weefpatroon maakt verschillende afwegingen tussen drapeerbaarheid (hoe goed de stof zich aanpast aan gebogen mallen), interlaminaire sterkte en kwaliteit van de oppervlakteafwerking.
Waar pure koolstofstof wordt gebruikt
Romppanelen, vleugelhuiden, stuurvlakken en motorgondels. De Boeing 787 bestaat qua gewicht voor 50% uit koolstofvezelcomposiet en is het eerste commerciële vliegtuig dat het als primair constructiemateriaal gebruikt.
Formule 1-monocoques worden sinds 1981 gemaakt van koolstofvezel. Een compleet F1-chassis weegt minder dan 35 kg en overleeft toch schokken van meer dan 50G – een resultaat dat alleen haalbaar is met een constructie van koolstofcomposiet.
Fietsframes, tennisrackets, golfclubschachten en roeischalen. Een carbon racefietsframe kan minder dan 700 gram wegen en tegelijkertijd voldoen aan de UCI-sterkte- en stijfheidsnormen die staal als concurrerende optie elimineren.
Met koolstofvezel versterkt polymeer (CFRP) wordt gebruikt om bestaande betonnen bruggen en kolommen te versterken. Het wikkelen van een betonnen kolom in CFRP-weefsel verhoogt de seismische weerstand met 30-200% met minimaal extra gewicht of voetafdruk.
Wat u moet weten over pure koolstofstof
Koolstofvezel bestaat voor 92-99% uit koolstof - bijna puur maar niet helemaal, omdat er na carbonisatie sporen van stikstof en zuurstof achterblijven. Alle stoffen bevatten chemisch koolstofatomen, maar alleen koolstofvezelstof is structureel koolstof. De duurzaamheid ervan is geworteld in de sterkte van koolstof-koolstofverbindingen en de kristaluitlijning die deze verbindingen direct in lijn brengt met de uitgeoefende belastingen. Geen enkel ander materiaal levert een gelijkwaardige specifieke sterkte bij een gelijkwaardig gewicht. Van lucht- en ruimtevaart tot civiele infrastructuur, puur koolstofweefsel is het bepalende structurele materiaal van de moderne techniek geworden, omdat de natuurkunde – en niet de marketing – het de optimale keuze maakt waar kracht, stijfheid en gewicht allemaal tegelijkertijd van belang zijn.
+86-13961668677
Nr. 61, Xingyuan Road, Jiefang Village, Gushan Town, Jiangyin City, Provincie Jiangsu, China.