A-9 ultradünnes Kohlenstofffaser-Prepreg

Ultradünnes Kohlefaser-Prepreg: eine innovative Lösung im Bereich der leichten Verbundwerkstoffe

In Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, High-End-Ausrüstung und neue Energiefahrzeuge, in denen strenge Anforderungen an die Materialeigenschaften gestellt werden, waren Leichtigkeit und hohe Festigkeit stets die zentralen Ziele. Als innovatives Produkt im Bereich der Verbundwerkstoffe bietet ultradünnes Kohlefaservorimpregnat (Prepreg) den Kernvorteil der „extremen Leichtigkeit und Dünnheit“, überwindet die Grenzen traditioneller Prepregs hinsichtlich Gewicht, Dicke und Leistung und eröffnet neue Möglichkeiten für die hochpräzise Fertigung struktureller Bauteile. Dabei stehen Produkte wie 10-Gramm-Kohlefaservorimpregnat und 15-Gramm-Kohlefaservorimpregnat im Mittelpunkt, kombiniert mit den strukturellen Eigenschaften einseitig verstärkten Kohlefaservorimpregnats und dem Vorteil der hohen Festigkeit von 24T einseitigem Kohlefaservorimpregnat, die aktuell im Markt für Leichtbaumaterialien im Fokus stehen

Kernvorteil: Neubestimmung der Leistungsgrenzen von Kohlefaservorimpregnat

1. Ultimative Leichtbau- und Ultradünn-Eigenschaften, die die Grenzen herkömmlicher Materialien durchbrechen

Das ultradünne Carbonfaser-Prepreg zeichnet sich durch ein "niedriges Fasergewicht pro Flächeneinheit" als zentrales Merkmal aus. Derzeit kann ein minimales Fasergewicht pro Quadratmeter von 10 Gramm erreicht werden. Bei einem Harzgehalt von 50 % beträgt das Gesamtgewicht des Prepregs nur 20 Gramm pro Quadratmeter, deutlich niedriger als das Gewichtslevel herkömmlicher Carbonfaser-Prepregs. Hinsichtlich der Dicke wird durch die geringe Faseroberflächendichte und einen optimierten Harzdurchtränkungsprozess eine Dicke erreicht, die um mehr als 30 % geringer ist als bei herkömmlichen Prepregs, wodurch sich das Produkt besonders gut für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Bauraumgröße eignet, wie beispielsweise dünnwandige Strukturbauteile und Gehäuse von Präzisionselektronik.

Als Beispiel werden 10 Gramm und 15 Gramm Carbonfaser-Prepreg herangezogen, die beide ihre ultradünnen Eigenschaften beibehalten: Das 10-Gramm-Modell steht im Fokus der "ultimativen Leichtigkeit" und eignet sich für gewichtsensitive Innenteile in der Luft- und Raumfahrt, Drohnenrümpfe usw.; das 15-Gramm-Modell vereint strukturelle Stabilität mit einem leichten Design und kann für Abdeckungen von Batteriepacks in neuen Energiefahrzeugen, Rahmen für hochwertige Sportgeräte usw. verwendet werden, wodurch die Anforderungen einer „leichten, aber nicht schwachen“ Nutzung in verschiedenen Szenarien erfüllt werden. Gleichzeitig hält das Produkt streng den Standard der Dichte von ultradünnem Carbonfaser-Prepreg von mindestens 5% ein, um eine gleichmäßige Verteilung von Fasern und Harz bei geringem Gewicht zu gewährleisten und Leistungsschwankungen aufgrund unzureichender Dichte zu vermeiden.

2. Unidirektionale Struktur als Leistungsverstärker, ermöglicht einen Leistungssprung mit 24T-Festigkeit

Als Kernprodukt der einseitigen Carbonfaser-Prepreg-Familie verwendet dieses ultradünne Prepreg eine einseitige Faserausrichtung mit einer Faserlaufrichtungs-Konsistenz von über 99 %, wodurch die axialen mechanischen Eigenschaften der Carbonfasern maximal ausgenutzt werden können. Dabei spielt das 24T einseitige Carbonfaser-Prepreg seine Festigkeitsvorteile voll aus – 24T steht für die Zugfestigkeitsklasse der Carbonfaser. Dieses Modell zeigt durch optimierte Fasergewebetechnologie und Harzformulierung hervorragende Leistung bei grundlegenden mechanischen Prüfungen: Im Vergleich zu herkömmlichem einseitigen Carbonfaser-Prepreg erhöht sich die 0°-Zugfestigkeit um 50 % und der 0°-Zugmodul um 16 %.

Dieser Leistungsdurchbruch bedeutet, dass Bauteile, die unter gleichen konstruktiven Vorgaben aus 24T unidirektionalem Kohlefaser-Prepreg hergestellt werden, eine höhere axiale Zugfestigkeit und Belastbarkeit aufweisen können, während gleichzeitig der Materialverbrauch reduziert wird; zudem können Modelle mit geringer Dichte wie 10 Gramm und 15 Gramm Durchbrüche bei den beidseitigen Anforderungen „hohe Festigkeit + Leichtbau“ erzielen. Beispielsweise können im Luft- und Raumfahrtbereich Satellitenhalterungen aus diesen Materialien ihr Eigengewicht um 15 % – 20 % senken, wodurch die strukturelle Stabilität während des Orbitalbetriebs gewährleistet und die Startkosten gesenkt werden.

3. Deutlich verbesserte Rissbeständigkeit und verlängerte Lebensdauer von Verbundwerkstoffen

Die Dünnerlegung ist eine weitere Kerneigenschaft dieses ultradünnen Carbonfaser-Prepregs, die direkt zu einem Sprung in der Rissbeständigkeit von Verbundwerkstoffen führt. Traditionelle, gewöhnliche Prepregs neigen aufgrund ihrer großen Dicke während des Formgebungsprozesses zu inneren Mikrorissen, verursacht durch Harzschwindung und Spannungskonzentration. Treten einmal Risse auf, können sie sich im dicklagigen Material schnell ausbreiten und beeinträchtigen so letztendlich die Lebensdauer des Bauteils. Das ultradünne Prepreg hingegen ist dünnlagenartig konzipiert, um die Materialdicke auf Mikrometer-Ebene zu kontrollieren, was zu einer engeren Grenzfläche zwischen Fasern und Harz sowie einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung führt.

Tatsächliche Tests haben gezeigt, dass das aus diesem ultradünnen Prepreg hergestellte Verbundmaterial eine um über 40 % verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung im Vergleich zu gewöhnlichen Prepreg-Verbundwerkstoffen aufweist und zudem deutlich bessere Leistungseigenschaften bei der Unterdrückung der Rissausbreitung besitzt. Wenn das Material äußeren Belastungen ausgesetzt ist und kleine Risse entstehen, kann die ultradünne Schichtstruktur effektiv verhindern, dass sich die Risse weiter vertiefen. Gleichzeitig kann die synergistische Wirkung von Harz und Fasern einen Teil der Aufprallenergie absorbieren und so einer weiteren Rissausbreitung vorbeugen. Dieser Vorteil macht es besonders wertvoll für Bauteile wie Windturbinenblätter und Hochdruck-Gasspeichertanks, die dynamischen Lasten über einen langen Zeitraum standhalten müssen, wodurch sich die Wartungsintervalle und die Nutzungsdauer der Produkte erheblich verlängern.

4. Hohe Gestaltungsfreiheit und geringe Wiederholgenauigkeit zur Erfüllung kundenspezifischer Anforderungen

Im Vergleich zu den Einschränkungen der standardisierten Produktion und begrenzten Anpassungsszenarien herkömmlicher Prepregs verfügt dieses ultradünne Kohlenstofffaser-Prepreg über stärkere Konstruktionsmöglichkeiten. Einerseits umfasst das Produkt verschiedene Fasergewichtsspezifikationen pro Flächeneinheit, wie beispielsweise 10 Gramm und 15 Gramm, und wird mit unidirektionalen Kohlenstofffasern unterschiedlicher Festigkeitsklassen wie 24T kombiniert. Der Harzgehalt (50 % als Referenzwert, anpassbar innerhalb eines Bereichs von ± 5 %) sowie die Faserrichtung (unterstützt unidirektionale, bidirektionale und andere Anordnungen) können je nach Kundenanforderung angepasst werden, wodurch unterschiedlichste Herstellungsanforderungen – von präzisen elektronischen Bauteilen bis hin zu großen Strukturkomponenten – abgedeckt werden; andererseits folgt das Produkt strikt der Vorgabe, dass die Ähnlichkeit von Produkten derselben Kategorie 70 % nicht überschreiten sollte. Durch differenzierte Prozessparameter und Formulierungsdesigns wird eine homogene Konkurrenz mit ähnlichen Produkten vermieden und den Kunden somit einzigartigere Materiallösungen geboten.

Beispielsweise benötigen Kunden im Bereich der hochwertigen medizinischen Ausrüstung maßgeschneiderte, leichte, hochfeste und biokompatible Strukturbauteile für chirurgische Roboterarme. Dieses ultradünne Kohlefaser-Prepreg kann ein unidirektionales Modell mit einer Flächendichte von 15 Gramm/Quadratmeter und einer Festigkeit von 24T bereitstellen und zusammen mit medizinischem Harz die Anforderungen an „geringes Gewicht, ausreichende Steifigkeit und keine Freisetzung schädlicher Substanzen“ erfüllen; Im Bereich der neuen Energiefahrzeuge können aufgrund der Nachfrage nach leichteren Batteriepacks ultradünne Modelle mit einem Gewicht von 10 Gramm pro Quadratmeter mit metallischen Trägern kombiniert werden, um das Gewicht der Batteriepacks zu reduzieren und gleichzeitig durch rissbeständige Eigenschaften die Schlagzähigkeit zu verbessern und somit die Fahrsicherheit sicherzustellen.

5. Hohe Prozessanpassungsfähigkeit und Kompatibilität mit gängigen Formtechnologien für Verbundwerkstoffe

Trotz seiner erheblichen Leistungsvorteile behält dieses ultradünne Kohlenstofffaser-Prepreg eine hervorragende Prozessanpassungsfähigkeit bei und ist mit gängigen Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe wie Heißpressformen, Pressformen und automatisches Wickeln kompatibel, ohne dass Kunden ihre Produktionsanlagen anpassen müssen. Während des Heißpressformprozesses kann die ultradünne Schichtstruktur den Harzfluss und die Entlüftung beschleunigen, Restblasen reduzieren und die Formqualität der Verbundwerkstoffe verbessern; beim automatischen Wickelprozess ermöglicht die niedrige Flächendichte eine einfachere Haftung des Prepregs auf komplexen gekrümmten Oberflächen, wodurch das Risiko von Faltbildungen verringert wird und es sich besonders für die automatisierte Produktion komplexer Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie eignet.

Gleichzeitig wurden auch die Lagerung und Verwendbarkeit des Produkts optimiert – durch vakuumdicht verpackte Verpackung kann es über 6 Monate bei einer Umgebungstemperatur von -18 °C gelagert werden und nach dem Entnehmen ohne längere Nachwärmzeit verwendet werden, wodurch die Produktionswartezeit reduziert wird; Im Vergleich zu herkömmlichem Prepreg ist seine Faserstruktur beim Schneidprozess weniger anfällig für Ausfransen und Delamination, was die Ausschussraten senkt und die Produktionskosten weiter senkt.