Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Kohlefasern zeichnen sich durch eine unglaubliche Festigkeit in Verbindung mit einer sehr hohen Flexibilität aus und gehören zu den widerstandsfähigsten Materialien in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften. Was genau macht Kohlenstofffasern so besonders? Gehen wir auf ihre Eigenschaften ein und erfahren wir, warum sie das am häufigsten verwendete Material der Welt sind.

Was ist Carbonfaser?

Kohlefaser besteht, wie der Name schon sagt, aus Mikrosträngen, die kristallin aneinandergereihte Kohlenstoffatomketten verbinden. Dadurch entsteht eine unglaublich steife, aber dennoch leichte Faser. Es handelt sich um Verbundwerkstoffe, die mit Kohlenstofffasern kombiniert werden, die ihnen andere Eigenschaften für den Einsatz in Anwendungen verleihen.

Wie wird Kohlefaser hergestellt?

Der Herstellungsprozess beginnt mit einem Vorprodukt, in der Regel einem Polymer - am häufigsten wird Polyacrylnitril (PAN) verwendet. Das Polymer wird zu einer Faser, und durch Erhitzen des Polymers können Nicht-Kohlenstoff-Elemente herausgelöst werden, so dass eine lange, dünne Kette aus reinem Kohlenstoff übrig bleibt. Zu den Schritten gehört auch die Stabilisierung, Verkohlung, Oberflächenbehandlung und Schlichten. Alle diese Schritte sind wichtig, um die besonderen Eigenschaften von Kohlenstofffasern zu erzielen. Dieser gründliche Prozess, der bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt wird, führt dazu, dass die hergestellten Fasern überwiegend aus Kohlenstoffatomen bestehen, die fest miteinander verbunden sind.

Physikalische Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Dichte

Es hat eine sehr geringe Dichte und ist daher sehr leicht. Diese Eigenschaft eignet sich gut für Anwendungen, bei denen das Gewicht eine wichtige Rolle spielt, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie. Mit einem Gewicht von 1,6 g/cm³ ist es dekadent leicht und wiegt weit weniger als Stahl und sogar leichter als Aluminium, was es zu einem sehr gefragten Material für viele Branchen macht, um das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auszugleichen.

Molekulare Struktur

Der molekulare Aufbau von Kohlenstofffasern ist einzigartig. Das sechseckige Muster ist eine Form von miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen und macht sie so stark wie Stahl, während sie nur einen Bruchteil davon wiegt. Ein Polymer, das eine hexagonale Gitterstruktur bildet, ermöglicht eine hohe Festigkeit innerhalb der Faser, während sie gleichzeitig flexibel ist. Die graphitische Struktur verleiht ihr eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein kann.

Flexibilität

Es handelt sich um eine modulare Struktur, die nur flexibel ist und eine hohe Festigkeit aufweist. Es ist flexibel und hat gleichzeitig eine hohe Festigkeit, was bedeutet, dass es verschiedene Formen für unterschiedliche Anwendungen annehmen kann. Die Richtung, in der die Fasern bei der Verfestigung ausgerichtet werden, kann bestimmen, wie steif oder flexibel Kohlenstofffasermaterial ist, so dass es in einer Vielzahl von verschiedenen Situationen verwendet werden kann. Für Teile, die eine hohe Steifigkeit benötigen, können unidirektionale Kohlenstofffasern verwendet werden, während gewebte Kohlenstofffasern eingesetzt werden, wenn mehr Flexibilität und Schlagfestigkeit erforderlich sind.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Chemische Zusammensetzung

Die Bausteine der Kohlefaser sind Kohlenstoffatome. Diese einfache Struktur verleiht ihr Stabilität und macht sie resistent gegen viele Chemikalien, die andere Materialien angreifen. Die Qualität von Kohlenstofffasern macht sie weniger reaktiv gegenüber Umweltbedingungen als andere Materialien. Hinzu kommt, dass Kohlefasern im Gegensatz zu Metallen nicht rost- oder oxidationsanfällig sind, was bei extremen Wetterbedingungen ein zusätzlicher Vorteil ist.

Chemische Beständigkeit

Kohlefaser ist sehr widerstandsfähig gegen Korrosion und chemische Schäden. Das macht sie auch in der extremen Umgebung, in der sie Chemikalien ausgesetzt ist, nützlich. In chemischen Verarbeitungsbetrieben zum Beispiel wird Kohlefaser häufig eingesetzt, um korrosiven Substanzen zu widerstehen, die sonst Metalle angreifen würden. Dank ihrer hohen Beständigkeit gegen Säuren, Basen und Lösungsmittel sind Teile aus Kohlenstofffasern selbst in extremen chemischen Umgebungen langlebig und funktionell.

Mechanische Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern ist hervorragend, d. h. sie können hohen Zugbelastungen standhalten und werden daher häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie verwendet. Auf der anderen Seite hat Kohlefaser Zugfestigkeitswerte zwischen 3,5 und 6,0 GPa, was bedeutet, dass sie in Bezug auf das Gewicht besser ist als die meisten Materialien (und sogar Stahl). Da Kohlefasern leicht und steif sind, verfügen sie über eine sehr hohe Zugfestigkeit und sind daher ideal für gewichtssensible tragende Anwendungen geeignet.

Druckfestigkeit

Neben der Zugfestigkeit besitzt die Kohlefaser auch eine hohe Druckfestigkeit. Das bedeutet, dass sie einem gewissen Druck standhalten kann, was sie für den Einsatz im Baugewerbe oder bei Schwerlastanwendungen nützlich macht. Kohlenstofffasern weisen je nach Fasertyp und -ausrichtung unterschiedliche Druckfestigkeitswerte auf, haben aber eine relativ geringe Schlagfestigkeit. Diese Eigenschaft macht Kunststoff zu einem beliebten Material für Konstruktionsteile, die Druckbelastungen ohne Verformung standhalten müssen.

Elastischer Modul

Der Elastizitätsmodul von Kohlenstofffasern ist hoch, was bedeutet, dass sie sich biegen lassen, wenn eine Kraft oberhalb der Elastizitätsgrenze angewendet wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Kohlenstofffaser, ihre Form auch unter extremen Belastungen beizubehalten. Je nach Art der Kohlenstofffaser liegt der Elastizitätsmodul typischerweise zwischen 200 und 600 GPa. Kohlefasern sind weitaus steifer als Metall, doch diese Steifigkeit ermöglicht ihren Einsatz in Präzisionsanwendungen wie Luft- und Raumfahrtstrukturen, bei denen Millimeter Durchbiegung als Konstruktionsfehler gelten.

Biegefestigkeit

Aber Kohlefaser ist selbst bei starker Biegung bruchfest. Dank ihrer hohen Biegefestigkeit kann sie in Anwendungen eingesetzt werden, die Flexibilität erfordern, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Da es sich bei Kohlenstofffasern um ein künstliches Material handelt, hängt die Stärke der Fasern davon ab, wie die Fasern ausgerichtet und geschichtet sind. Thermoplastische Verbundwerkstoffe, wie z. B. gewebte Kohlenstofffasern, werden häufig in Produkten verwendet, die eine erhöhte Flexibilität und Biegsamkeit erfordern, wie z. B. Sportartikel und Automobilkomponenten.

Schlagfestigkeit

Kohlenstofffasern sind zwar stark, können aber bei einem Aufprall spröde werden. Durch die Kombination mit anderen Materialien entstehen Verbundwerkstoffe mit hoher Splitterfestigkeit, die die Schlagfestigkeit des Materials verbessern. In Kombination mit Epoxidharzen und anderen Polymeren können Kohlenstofffasern eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen. Aus diesem Grund eignen sich Kohlefaserverbundwerkstoffe für sicherheitskritische Anwendungen, wie z. B. Crash-Strukturen in Kraftfahrzeugen und Sportschutzausrüstung.

Bruchzähigkeit

Dies ist für eine bestimmte Schicht der Kohlenstofffaser nützlich, denn wenn ein einzelner Strang bricht, enthält er eine Bruchzähigkeit, die angibt, wie gut er das Wachstum des Risses stoppt. Obwohl es nicht so schwierig ist wie einige Metalle, ist es so leicht, dass die Vorteile bei einigen Anwendungen den Nachteil nicht wert sind. In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie müssen die Werkstoffe robust und widerstandsfähig gegen Ermüdung und Belastung sein, so dass die Bruchzähigkeit entscheidend ist. Weitere Fortschritte in der Technologie der reinen und hybriden Kohlefaserverbundwerkstoffe haben die Bruchzähigkeit und die funktionalen Anwendungen verbessert.

Thermische Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Schmelzpunkt

Im Allgemeinen hat Kohlefaser keinen echten Schmelzpunkt, da sie unter Standardbedingungen nicht schmilzt. Stattdessen zerfällt sie bei sehr hohen Temperaturen, was sie für Wärmeanwendungen besonders geeignet macht. Unter nicht oxidierenden Bedingungen können Kohlenstofffasern Temperaturen von bis zu 3000 °C standhalten. Diese Hitzebeständigkeit ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt nützlich, wo die Temperaturen beim Wiedereintritt oder Hochgeschwindigkeitsflug unglaubliche Höhen erreichen können.

Wärmeleitfähigkeit

Kohlefaser hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Sie behält ihre Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und eignet sich daher für Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen, z. B. in der Luft- und Raumfahrt. Diese Eigenschaft macht sie ideal für den Einsatz in der Wärmedämmung, wo Hitzebeständigkeit ein Muss ist, aber die strukturelle Integrität erhalten bleiben muss. Es wird auch für die Herstellung von Werkzeugen bei hohen Temperaturen verwendet, bei denen die Dimensionsstabilität von entscheidender Bedeutung ist.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern ist anisotrop. Das Material leitet Wärme effektiv entlang der Länge der Fasern, isoliert aber quer zu den Fasern, was zu einzigartigen Eigenschaften führt, die in verschiedenen Anwendungen genutzt werden können. Aufgrund seiner anisotrop Wärmeleitfähigkeit findet Kohlefaser dort Anwendung, wo eine kontrollierte Wärmeübertragung wichtig ist. Zum Beispiel als Kühlkörper oder thermische Barrieren in der Elektronik und in Hochleistungsfahrzeugen.

Elektrische Eigenschaften von Kohlenstofffasern

Elektrische Leitfähigkeit

Kohlefasern haben eine elektrische Leitfähigkeit, die in vielen Anwendungen wie z.B. der elektromagnetischen Abschirmung erwünscht ist, deshalb müssen wir damit vorsichtig umgehen, wenn wir eine elektrische Isolierung benötigen. Die Assoziationen mit leichten Materialien führen uns zu einem anderen Material KohlenstoffDeshalb werden Kohlenstofffasern beispielsweise zum Schutz von Flugzeugen vor Blitzeinschlägen eingesetzt. Im Gegensatz dazu kann Kohlenstoff in einigen Formen zwar Elektrizität leiten, aber in einem typischen Verbundwerkstoffdesign ist ein solches Verhalten bestenfalls unbeabsichtigt zu beobachten, was bedeutet, dass bei der Isolierung von Kohlefaserkomponenten in Anwendungen wie medizinischen Geräten oder elektrischen Bauteilen Vorsicht geboten ist, um unerwünschte Leitfähigkeit zu vermeiden.

Verwendung von Kohlenstofffasern in verschiedenen Branchen

Luft- und Raumfahrtindustrie

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit sind Kohlefasern in der Luftfahrt sehr beliebt. Um die Effizienz und Sicherheit von Flugzeugen zu gewährleisten, müssen sie in der Regel aus hochbelastbaren, aber leichten Materialien gebaut werden. Es spielt eine Schlüsselrolle in vielen Flugzeugstrukturen, z. B. in Rumpfteilen, Flügeln und Innenraumkomponenten. Aufgrund seiner Fähigkeit, hohen Belastungen und wechselnden Temperaturen standzuhalten, ist es ein wichtiger Werkstoff sowohl für Verkehrs- als auch für Militärflugzeuge.

Autoindustrie

In der Automobilbranche wird dieses Material zur Verbesserung der Fahrzeugleistung eingesetzt. Seine Leichtbaueigenschaften tragen zum Lightweighting bei, das den Benzinverbrauch und das Fahrverhalten verbessert. Kraftstoffsparende Fahrzeuge, aber auch Sportwagen und Elektrofahrzeuge verwenden häufig Kohlefaser, um die Beschleunigung, das Bremsverhalten und die Kurvengängigkeit zu verbessern. Die Böden, Strukturteile, Karosserieteile und Innenverkleidungen bestehen aus Kohlefaser, um das Gewicht und die Ästhetik zu verbessern.

Sportgeräte

Das Baumaterial aus der leichteren Spectra-Kohlefaser wird von vielen Sportgeräteherstellern verwendet. Die Festigkeit und das geringere Gewicht der Kohlefaser kommen bei Tennisschlägern, Golfschlägern und Fahrrädern zum Tragen. Die Carbonfaserkonstruktion ist leicht, so dass die Sportler mehr Leistung bringen können. Bei Fahrrädern sorgen Rahmen aus Kohlefaser für ein perfektes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Komfort; beim Golf erhöhen Kohlefaserschäfte die Schwunggeschwindigkeit und -kontrolle.

Medizinische Geräte

Kohlefaser wird auch in medizinischen Geräten verwendet, die sowohl Komfort als auch Haltbarkeit gewährleisten. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Langlebigkeit werden Kohlenstofffasern sogar für Rollstuhlräder und Prothesen in der Chirurgie verwendet. Aufgrund ihrer Strahlendurchlässigkeit eignet sie sich für bildgebende Geräte, da sie Röntgenstrahlen oder andere bildgebende Verfahren nicht beeinträchtigt. Dies ist von Vorteil, da Kohlefaserkomponenten in medizinischen Bildgebungsbetten verwendet werden können, die eine klare Bildgebung ohne Störungen ermöglichen.

Bauwesen

Kohlenstofffasern werden im Bauwesen zur Verstärkung von Strukturen eingesetzt. Häufig wird CFK zur Verstärkung von Trägern, Brücken und sogar Gebäuden verwendet, wo es mit Polymeren verbunden wird. Mit CFK lassen sich bereits bestehende Strukturen aufrüsten, so dass sie bei geringem Mehrgewicht eine größere Last tragen können. Aufgrund seiner Korrosions- und Umweltbeständigkeit eignet es sich besonders gut für Infrastrukturprojekte in schwierigen Umgebungen wie Küstengebieten.

Schlussfolgerung

Kohlenstofffasern sind per Definition ein Verbundwerkstoff, da sie stark, leicht, chemisch beständig und vielseitig sind. Ihre vielfältigen Eigenschaften machen sie in verschiedenen Branchen unverzichtbar, von der Luft- und Raumfahrt über den Sport bis hin zum Bauwesen. In der Welt der technischen Entwicklung wird die Kohlenstofffaser immer wieder in neue Rollen und Verwendungszwecke gedrängt, was ihren Platz als eines der Schlüsselmaterialien unserer modernen Welt mit Sicherheit markiert. Die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern sind der Grund dafür, dass sie eines der beliebtesten Materialien für Hochleistungsanwendungen sind. Ihre Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Bedürfnisse - von der Festigkeit über die Flexibilität bis hin zur thermischen Stabilität - wird dafür sorgen, dass Kohlenstofffasern noch viele Jahre lang eine führende Rolle in der Materialwissenschaft spielen werden.