1.Anwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Bereich Sport und Freizeit sowie wichtigste Herstellungsverfahren
Die Verwendung von Kohlefaser in Sportprodukten begann in den 1970er Jahren. Damals konzentrierte sich jeder auf die Luft- und Raumfahrt sowie die Militärindustrie. Schließlich erregte ein solch hochkarätiger Bereich, insbesondere das amerikanisch-sowjetische Weltraumrennen, Satelliten, Raumfahrzeuge und Mondlandeprogramme, in dieser Zeit die Aufmerksamkeit der Welt.
Kohlefaserverbundwerkstoffe haben sich seit langem in verschiedenen Bereichen der Sportartikelherstellung bewährt und sind nach der Luft- und Raumfahrt auch der Industriezweig für die Anwendung und Entwicklung von Kohlefasern im Sportartikelbereich.
Verbundwerkstoffe aus Kohlefaser sind aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Festigkeit und ihrer ausgezeichneten Ermüdungsbeständigkeit zum bevorzugten Material in der Sportartikelindustrie geworden. Die Inspiration für den Sportartikelmarkt aus Kohlefaser kam von Jim Flood in den USA, der als Edison des Golfsports bekannt ist. 1972 entdeckte Jim Flood, dass man mit Schlägern aus Kohlefaser Golfbälle 30 Yards weiter schlagen kann als mit Eisen. Anschließend wurde Kohlefaser in anderen Sportarten als Ersatz für Metallmaterialien beworben, wie etwa Badminton, Tennis, Baseball, Skateboarding, Skifahren, Radfahren, Rudern, Bogenschießen und anderen Sportarten sowie Freizeitsportarten wie Angeln.
2. Vorteile von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Sportgeräten
Mit dem Fortschritt der Gesellschaft verbessert sich das Streben der Menschen nach einem Lebensstil ständig. Sport ist in das Leben eines jeden von uns eingedrungen. Gesunde und wissenschaftliche Trainingsmethoden stehen ebenfalls im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Menschen. Die Anforderungen an Sportgeräte werden immer höher. Der Markt für neue Sportgeräte wächst ebenfalls und die Anforderungen an die Materialien für Sportgeräte werden ebenfalls immer höher. Die Vorteile von Kohlefaser in Bezug auf Gewicht und Festigkeit machen sie zum bevorzugten Material für neue Sportgeräte. Infolgedessen wird Kohlefaser im Bereich der Sportgeräte immer häufiger verwendet. Was sind die Vorteile von Kohlefaser in Sportgeräten:
(1) Geringes Gewicht
Mit Ausnahme spezieller Sportarten, bei denen Gewicht erforderlich ist, gilt bei Sportgeräten, dass sie leichter sind. Geringes Gewicht kann den Trainierenden zu besseren Leistungen verhelfen, wie z. B. Tennisschläger, Schläger, Fahrräder, Ski usw. Auch einige Geräte, die sich nicht auf menschliche Kraft, sondern auf andere Kraft stützen, wie z. B. Rennwagen und Segelboote, erfordern ein geringes Gewicht, was den Kraftbedarf senken und Kraftstoff sparen kann. Kohlefaser bietet in dieser Hinsicht unersetzliche Vorteile.
(2) Gute mechanische Eigenschaften
Die spezifische Festigkeit und der spezifische Modul von Kohlefasermaterialien können von anderen Materialien nicht übertroffen werden. Seine einzigartigen mechanischen Eigenschaften erfüllen genau die Anforderungen von Sportgeräten und sind eine ausgezeichnete Wahl für Sportgeräte. Kohlefaserverbundstoffe werden hauptsächlich harzgehärtet und geformt, was bei der Verarbeitungsgestaltung eine größere Rolle spielen kann.
(3) Sicherheit, Hygiene und Umweltschutz
Kohlefaserverbundwerkstoffe haben nicht nur viele Vorteile, sondern sind auch ein umweltfreundliches Material mit garantierter Hygiene und Sicherheit. Es sind neue Materialien mit besonderen Eigenschaften. Neben guten mechanischen Eigenschaften, starker Plastizität und hoher Sicherheit sind sie auch recycelbare Ressourcen. Sie sind äußerst umweltfreundlich und leicht zu recyceln, während sie gleichzeitig Kosten senken und Ressourcen sparen. Diese Eigenschaften werden zu den Vorteilen von Kohlefaserverbundwerkstoffen bei der weit verbreiteten Verwendung von Sportgeräten.
(4) Hohe Plastizität
Plastizität ist eine der Grundvoraussetzungen für die Herstellung von Sportgeräten. Kunststoffe und Kohlefaserverbundwerkstoffe weisen alle ein gewisses Maß an Plastizität auf. Kunststoffe und ihre Legierungen können auf viele Arten verarbeitet und geformt werden (Blasformen, Spritzgießen, Extrusion, Thermoformen usw.) und dann auf Sportgeräte angewendet werden. Im Vergleich zu anderen gängigen Materialien haben sie eine bessere Plastizität. Mit der Entwicklung der Sportindustrie meines Landes können Materialien, die im Bereich Sportgeräte verwendet werden, auf mehr Arten verarbeitet werden, um die Leistung von Sportgeräten zu verbessern.
(5) Gute Alterungsbeständigkeit
In der Praxis werden Sportgeräte meist im Freien verwendet und sind leicht natürlichen Einflüssen wie Sonnenlicht und Gewittern ausgesetzt. Gleichzeitig können Stoffe wie Sauerstoff, Ozon und saure Gase in der Atmosphäre sie beschädigen. Darüber hinaus führen Temperaturschwankungen zu Alterung, Rissen, Farbveränderungen usw. von Sportgeräten. Daher müssen Sportgeräte bei der Verwendung, insbesondere im Freien, eine gute Korrosions- und Alterungsbeständigkeit aufweisen. Die Anforderungen in dieser Hinsicht sind strenger. Eine schlechte Alterungsbeständigkeit beeinträchtigt die Lebensdauer der Geräte erheblich.
3. Anwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Sport- und Freizeitprodukten
Die Anwendung von Sportprodukten aus Kohlefaser kann in zwei Hauptrichtungen unterteilt werden. Eine ist der Wettkampfsport, bei dem vor allem hohe Präzision, höhere und schnellere Leistung im Vordergrund stehen. Die andere ist die tägliche Fitness und Freizeit, bei der ein angemessenes Preis-Leistungs-Verhältnis erforderlich ist. Derzeit sind die Produkte mit dem größten Verbrauch von Kohlefaser im Bereich Sportprodukte:
(1) Fahrräder
Stahl ist das langlebigste Material für Fahrräder. Es hat eine gute Elastizität und ist kostengünstig, aber aufgrund seiner hohen Dichte rostet und ermüdet es leicht. Aluminiumlegierungen sind auf dem Markt ein häufig verwendetes Material. Sie sind leicht und rosten nicht, aber ihre Elastizität ist zu gering, sie ermüden leicht und der Fahrkomfort ist nicht gut. Die Dichte von Magnesiumlegierungen ist geringer als die von Aluminiumlegierungen und ihre Grundleistung ist ähnlich der von Aluminiumlegierungen. Die Ermüdungsbeständigkeit von Titanlegierungen ist besser als die anderer Metallmaterialien, aber der Preis ist hoch und das spezifische Gewicht ist nicht vorteilhaft. Kohlefaserverbundwerkstoffe haben eine hohe Festigkeit, gute Elastizität, geringe Dichte und Korrosionsbeständigkeit. Fahrräder aus Kohlefaserverbundwerkstoffen haben die folgenden Eigenschaften:
a. Reduzieren Sie effektiv das Gesamtgewicht des Fahrrads
Die Dichte von Verbundwerkstoffen auf Basis von Kohlenstofffaserharz beträgt im Allgemeinen nur 1,6. Es ist nur ein Fünftel von Stahl und kann das Gewicht im Vergleich zu Aluminium um etwa 40 % reduzieren. In der Fahrradbranche gibt es ein Sprichwort, dass der Preis um 1 Dollar steigen kann, wenn das Gewicht um 1 g reduziert wird. Ein Fahrradrahmen aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff ist ein Viertel leichter als ein Rahmen aus Aluminiumlegierung. Geringes Gewicht kann den körperlichen Energieverlust reduzieren und so die Fahrgeschwindigkeit erhöhen.
b. Hohe Gesamtsteifigkeit der Karosserie
Ein Rahmen mit guter Steifigkeit fördert die Umwandlung der Antriebskraft und verbessert die Fahreigenschaften des Fahrrads. Die Struktur eines Fahrrads aus Kohlefaserverbundstoff ist stabil und verformt sich nicht so leicht. Die Praxis hat bewiesen, dass seine Rahmensteifigkeit nicht geringer ist als die eines Molybdänstahlrahmens.
c. Gute Stoßfestigkeit
Die Eigenfrequenz der Struktur hängt nicht nur mit der Strukturform zusammen, sondern ist auch proportional zum Quadrat des spezifischen Moduls des Materials. Eine hohe Eigenfrequenz kann frühzeitige Schäden durch Resonanz unter Arbeitsbedingungen vermeiden. Es wird berichtet, dass Tests an Rahmen gleicher Form und Größe zeigen, dass die Vibration eines Rahmens aus Aluminiumlegierung 9 Sekunden dauert, bis sie stoppt, während das Kohlefaserverbundmaterial mit extrem hoher Eigenfrequenz nur 2,5 Sekunden braucht, um zu stoppen. Die gute Dämpfung des Verbundmaterials reduziert die Stöße des Fahrrads und verbessert den Fahrkomfort.
d. Gute Sicherheit
Die Matrix in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen ist eine kontinuierliche Phase, die einzelne Kohlenstofffasern umgibt und ein dynamisches, unsicheres System bildet. Wenn das Material aufprallt und eine kleine Anzahl von Fasern bricht, wird die Last schnell auf die intakten Fasern umverteilt, sodass die Struktur die Last weiterhin tragen kann, was die Fahrsicherheit erheblich verbessert. Bei allgemeinen Metallmaterialien sind offensichtliche Anzeichen von Ermüdungsversagen schwer zu erkennen, und ihr Versagen tritt oft plötzlich auf. Kohlenstofffaserverbundrahmen hingegen weisen eine sehr gute Ermüdungsbeständigkeit auf, und offensichtliche Anzeichen können bereits vor dem Versagen beobachtet werden. Studien haben gezeigt, dass Kohlenstofffaserverbundrahmen mehr als einer Million Kollisionstests standhalten können.
e. Größere Freiheit bei der Strukturgestaltung
Kohlefaserverbundwerkstoffe weisen die Eigenschaft der Anisotropie auf. Diese Eigenschaft von Verbundwerkstoffen kann genutzt werden, um Fasern entsprechend der Richtung und Größe der Belastung des Fahrrads beim Fahren anzuordnen und zu legen. Die Flexibilität der Verbundwerkstoffherstellung begünstigt die Gestaltung von Strukturen unterschiedlicher Formen. Beispielsweise können stromlinienförmige Fahrräder nach aerodynamischen Prinzipien entworfen werden, die schön und praktisch sind und mit denen sich leicht das beste Preis-Leistungs-Verhältnis erzielen lässt. f. Gute Korrosionsbeständigkeit
Polymermaterialien weisen eine gute Beständigkeit gegen Säuren, Basen und industrielle Atmosphäre auf, sodass Fahrradrahmen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Säure- und Basenkorrosion aufweisen.
Der französische Sportwagenhersteller Bugatti und der niederländische Fahrradhersteller PG haben gemeinsam das leichteste Fahrrad der Welt auf den Markt gebracht. Das Design des Fahrrads ist vom Sportrennwagen Chiron von Bugatti inspiriert. Es besteht aus Kohlefaserverbundwerkstoffen und wiegt nur 11 Pfund (ca. 4,99 kg). Laut American Architectural Digest besteht das Fahrrad zu 95 % aus Kohlefaserverbundwerkstoffen.
Die Tschechische Technische Universität in Prag verwendet ein automatisches Faserwickelverfahren in Kombination mit der integrierten Loop-Technologie (ILT), die durch kontinuierliche Faserrohrverbindung entwickelt wurde, um Fahrradrahmen und zugehörige Komponenten herzustellen. ILT ist ein Verfahren, das strukturelle Verbundelemente (wie Rohre und Verbindungsteile) kombiniert. Alle Teile werden in einem Stück geformt und dann zusammengebaut.
(2) Angelruten
Wie beurteilen Angelfreunde, welche Angelrute die beste ist? Zusammenfassend spiegelt es hauptsächlich drei Punkte wider: dünn, leicht und stark. Daher muss eine Hochleistungs-Angelrute zwei Eigenschaften erfüllen: hohe Steifigkeit und geringes Gewicht.
Mit dem Aufkommen und der Entwicklung von Kohlefasern bietet diese eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul für Angelruten, wodurch diese Angelruten immer leichter werden. Daher werden die heutigen Angelruten grundsätzlich als „Kohlefaser-Angelruten“ bezeichnet.
Angelruten aus kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen sind viel leichter als GFK-Produkte oder Kunststoffe, wodurch beim Herausziehen der Rute weniger Energie verbraucht wird und die Entfernung zum Herausziehen der Rute etwa 20 % größer ist als bei letzteren. Angelruten aus CFK sind lang und gut und weisen eine hohe Steifigkeit auf. Angelruten können sich nach dem Biegen schnell erholen, wodurch sie beim Köderwerfen empfindlicher werden. Aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen können auch Angelausrüstungsspulen hergestellt werden, die nicht mehr als 140 Gramm wiegen, aber eine hohe Dauerfestigkeit und Reibungsfestigkeit aufweisen und daher eine lange Lebensdauer haben.
Vorteile von Angelruten aus Kohlefaserverbundstoff
Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner hohen Steifigkeit wird es weithin gelobt. Beim Angeln spiegeln sich die Vorteile von Angelruten aus Kohlefaser in folgenden Aspekten wider:
· Da Angelruten aus Kohlefaser leichter und dünner sind, können sie problemlos mit einer Hand bedient werden.
· Aufgrund seines geringen Gewichts kann es verhindern, dass sich Benutzer müde fühlen.
· Durch Kohlefaser lassen sich Angelruten verlängern, und längere Angelruten bedeuten, dass ein größerer Angelbereich abgedeckt werden kann.
·Angelruten aus Kohlefaser reagieren empfindlicher auf Fische.
Angelruten aus Kohlefaser begeistern die Angler von Jahr zu Jahr mehr und mehr. Zudem haben diese Kohlefaser-Angelruten das Angeln von einem einfachen Sport zu einer beliebten Freizeitbeschäftigung gemacht, was zweifellos einen neuen Markt für den Bereich Kohlefaser geschaffen hat.
(3) Tennisschläger und Badmintonschläger
Der Entwicklungstrend bei Tennisschlägern geht dahin, größer und leichter zu werden. Derzeit werden die meisten High-End- und Mittelklasse-Tennisschläger der Welt aus Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt. Große Tennisschläger müssen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen mit geringem Gewicht, hoher spezifischer Festigkeit und hohem spezifischem Modul hergestellt werden. Sie können einer stärkeren Saitenspannung standhalten als Schlägerrahmen aus Holz, um sicherzustellen, dass sie sich beim Schlagen des Balls nicht verformen. Kohlefaserverbundwerkstoffe mit guten Schwingungsdämpfungseigenschaften geben dem Sportler nicht nur ein Gefühl von Komfort, sondern ermöglichen dem Tennisball auch eine höhere Anfangsgeschwindigkeit.
Tennisschläger aus Verbundwerkstoffen sind leicht und stabil, weisen eine hohe Steifigkeit und geringe Belastung auf, wodurch die Abweichung beim Kontakt des Balls mit dem Schläger verringert werden kann. Gleichzeitig verfügt CFK über gute Dämpfungseigenschaften, die die Kontaktzeit zwischen Saite und Ball verlängern können, sodass der Tennisball eine höhere Beschleunigung erreichen kann. Beispielsweise beträgt die Kontaktzeit von Holzschlägern 4,33 Millisekunden, die von Stahlprodukten 4,09 Millisekunden und die von CFK 4,66 Millisekunden. Die entsprechenden Anfangsgeschwindigkeiten des Balls betragen 1,38 km/h, 149,6 km/h bzw. 157,4 km/h.
Badmintonschläger aus kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen (CFK) zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe Steifigkeit und Vermeidung von Griffbrüchen aus, die durch die unzureichende Steifigkeit von Holzprodukten verursacht werden. Sie verfügen außerdem über eine Vibrationsdämpfungsfunktion und eine gute Elastizität, die lange Schlag- und Rückschlagdistanzen sowie eine hohe Balllandegenauigkeit ermöglicht.
(4) Golfschläger
1972 wurden in den USA erstmals Golfschläger aus Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt. 1998 gab es bereits mehr Golfschläger aus Kohlefaser als aus Stahl. Golfschläger bestehen aus einem Griff, einem Schaft und einem Kopf. Golfschläger aus Kohlefaserverbundwerkstoffen können ihr Gewicht um etwa 10 bis 40 % reduzieren. Gemäß dem Impulserhaltungssatz können ein schwerer Kopf und ein leichter Schaft bei konstantem Gesamtgewicht eines Golfschlägers die Schwunggeschwindigkeit erhöhen und dem Ball eine höhere Anfangsgeschwindigkeit verleihen. Darüber hinaus verfügen Kohlefaserverbundwerkstoffe über hohe Dämpfungseigenschaften, die die Schlagzeit verlängern und es ermöglichen, den Ball weiter zu schlagen.
(5) Kajak
Die Verwendung von Kevlar, einer Aramidfaser, die häufig im Bereich der Kugelsicherheit verwendet wird, bei einem Kajak kann sicherstellen, dass das gut strukturierte Boot Rissen und Brüchen widersteht. Wenn Graphen- und Kohlefasermaterialien in Kanus und Bootsrümpfen verwendet werden, können sie nicht nur die Lauffestigkeit des Rumpfes erhöhen und das Gewicht reduzieren, sondern auch die Gleitdistanz erhöhen.
(6) Rennfahrzeuge
In den 1980er Jahren, als das McLaren F1-Team Kohlefasermaterialien zum Bau seiner Rennchassis verwendete, waren seine Rennwagen der Konkurrenz weit voraus. Infolgedessen wurde McLarens Ansatz von anderen Teams nachgeahmt und dann auf verschiedene Supersportwagen, Hochleistungsautos und Zivilfahrzeuge übertragen.
Derzeit wird die Anwendung von Kohlefasern in der Automobilindustrie hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: trocken und nass. Trockene Kohlefasern enthalten bei der Herstellung weniger Restharz und die Formteile sind stärker und teurer, weshalb sie von großen Luxusmarken häufig verwendet werden.
Der Harzgehalt in nasser Kohlefaser ist höher, sodass sie in Bezug auf Bauteilfestigkeit und Herstellungskosten viel billiger ist als trockene Kohlefaser. Aber egal, ob es sich um trockene oder nasse Kohlefaser handelt, sie weist eine bessere Leistung als herkömmliche Materialien auf.
Die Karosserie des Ares AMR Pro ist in einem speziellen fluoreszierenden Grün lackiert und mit einer dekorativen Karbonfaserplatte versehen, auf der die Anordnung der Karbonfasern zu sehen ist. Die Linien des gesamten Autos sind schlanker und die seitlichen Außenspiegel wurden aerodynamischer gestaltet. Die Rückseite des vorderen Kotflügels verfügt über eine mehrteilige Belüftungsöffnung, um die Luft im Radkasten besser zu leiten. Die Seitenschweller sind fast bodennah und mit den Radläufen an Vorder- und Hinterachsen verbunden. Auch das Design der Flügeltüren ist sehr ansprechend. Die 20- Zoll großen Vorderräder und 21- Zoll großen Hinterräder sind mit flachen Breitreifen und Rembo-Keramik-Karbonfaser-Bremssystemen ausgestattet, was dem gesamten Auto ein noch schöneres Aussehen verleiht.
Auch der Innenraum kopiert das klassische Design der Formel-1-Rennwagen F1. Das integrierte Cockpit aus Kohlefaser verleiht dem gesamten Auto mehr Steifigkeit. Dach, Cockpit und Fahrgestell weisen ein integriertes Design aus Kohlefaser auf. Die Steifigkeit des gesamten Autos ist stärker und das Feedback von der Straße ist realistischer und positiver. Die große Fläche aus Wildledermaterial spiegelt das freiliegende Kohlefasermaterial wider. Die Mittelkonsole ist mit einem abgerundeten rechteckigen Lenkrad ausgestattet. In der Mitte des Lenkrads befindet sich ein LCD-Display, auf dem die grundlegenden Fahrzeuginformationen angezeigt werden. Die beiden aufgehängten LCD-Bildschirme sind zur Fahrerseite geneigt. Der einteilige Rennsitz aus Kohlefaser ist leicht und kann dem Fahrer außerdem eine bessere Umhüllung und Unterstützung bieten.
Durch das einteilige Carbonfaser-Design ist die Steifigkeit des gesamten Fahrzeugs stärker und das Straßenfeedback realistischer und positiver. Die große Fläche aus Wildledermaterial spiegelt das freiliegende Carbonfasermaterial wider. Die Mittelkonsole ist mit einem abgerundeten rechteckigen Lenkrad ausgestattet. In der Mitte des Lenkrads befindet sich ein LCD-Display, auf dem die grundlegenden Informationen des Fahrzeugs angezeigt werden. Die beiden aufgehängten LCD-Bildschirme sind zur Fahrerseite geneigt. Der einteilige Carbonfaser-Rennsitz ist leicht und bietet dem Fahrer außerdem eine bessere Umhüllung und Unterstützung.
