Was ist carbon fiber?

Kohlenstofffaser (Carbon Fiber)

Kohlenstofffaser, auch bekannt als Carbonfaser, ist ein Material, das aus sehr dünnen Fasern besteht, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen. Diese Fasern sind typischerweise zwischen 5 und 10 Mikrometer im Durchmesser. Die Kohlenstoffatome sind in Kristallen angeordnet, die parallel zur langen Achse der Faser ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung verleiht der Faser eine sehr hohe Festigkeit.

Eigenschaften und Vorteile:

Hohe Festigkeit und Steifigkeit: Kohlenstofffaser ist extrem zugfest und steif, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Gewichtsersparnis und hohe Belastbarkeit wichtig sind.
Geringes Gewicht: Im Vergleich zu anderen Materialien wie Stahl oder Aluminium ist Kohlenstofffaser sehr leicht.
Korrosionsbeständigkeit: Kohlenstofffaser ist beständig gegen Korrosion durch Feuchtigkeit, Chemikalien und andere Umwelteinflüsse.
Thermische Stabilität: Kohlenstofffaser behält ihre Festigkeit und Form auch bei hohen Temperaturen bei.
Elektrische Leitfähigkeit: Je nach Art der Faser kann Kohlenstofffaser elektrisch leitfähig sein.

Herstellung:

Die Herstellung von Kohlenstofffaser ist ein komplexer Prozess, der im Wesentlichen aus folgenden Schritten besteht:

Ausgangsmaterial: Das häufigste Ausgangsmaterial ist Polyacrylnitril (PAN).
Oxidation: Das PAN wird in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt, um seine Struktur zu stabilisieren.
Karbonisierung: Das oxidierte PAN wird dann bei hohen Temperaturen (1000-3000 °C) in einer inerten Atmosphäre erhitzt, um Nicht-Kohlenstoff-Elemente zu entfernen und die Kohlenstoffatome in einer geordneten Struktur auszurichten.
Oberflächenbehandlung: Die Oberfläche der Fasern wird behandelt, um die Haftung mit der Matrix (z.B. Epoxidharz) zu verbessern.
Schlichten: Die Fasern werden mit einer Schlichte versehen, um sie vor Beschädigung zu schützen und ihre Verarbeitbarkeit zu verbessern.

Anwendungen:

Kohlenstofffaser wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

Luft- und Raumfahrt: Flugzeugstrukturen, Satelliten. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Luft- und%20Raumfahrt
Automobilindustrie: Karosserieteile, Rennwagen. Erfahren Sie mehr: Automobilindustrie
Sportartikel: Fahrräder, Golfschläger, Angelruten.
Bauwesen: Brücken, Gebäude. Weitere Details zu diesem Bereich finden Sie hier: Bauwesen
Medizin: Prothesen, Implantate.

Matrixmaterialien:

Kohlenstofffasern werden selten allein verwendet. Sie werden in der Regel in eine Matrix eingebettet, um ein Verbundmaterial zu bilden. Die Matrix dient dazu, die Fasern zusammenzuhalten, die Last gleichmäßig zu verteilen und die Fasern vor Beschädigung zu schützen. Häufig verwendete Matrixmaterialien sind:

Epoxidharze
Polyesterharze
Vinylesterharze
Thermoplaste

Nachteile:

Hohe Kosten: Die Herstellung von Kohlenstofffaser ist teuer.
Sprödigkeit: Kohlenstofffaser ist relativ spröde und kann unter Belastung brechen.
Schwierige Verarbeitung: Die Verarbeitung von Kohlenstofffaser erfordert spezielle Techniken und Ausrüstung.
Schwieriges Recycling: Das Recycling von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen ist schwierig und teuer.

Arten von Kohlenstofffasern:

Es gibt verschiedene Arten von Kohlenstofffasern, die sich in ihren Eigenschaften und Anwendungen unterscheiden. Sie werden in der Regel nach ihrem Zugmodul (Steifigkeit) klassifiziert:

Standard-Zugmodul (Standard Modulus - SM): Für allgemeine Anwendungen.
Intermediate-Zugmodul (Intermediate Modulus - IM): Bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Steifigkeit.
High-Zugmodul (High Modulus - HM): Für Anwendungen, die eine sehr hohe Steifigkeit erfordern.
Ultra-High-Zugmodul (Ultra-High Modulus - UHM): Für extreme Anwendungen mit höchstem Steifigkeitsbedarf.

Die Wahl der richtigen Kohlenstofffaser hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.