Ein Leitfaden zur Auswahl zwischen Kohlefaser und Fiberglas

Kohlefaser und Glasfaser sind wichtige Verstärkungsmaterialien in Verbundwerkstoffen. Doch welches ist das Richtige für Sie? In diesem Leitfaden erläutern wir die Unterschiede zwischen diesen beiden Verbundwerkstoffen hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Vor- und Nachteile sowie ihrer Anwendungen.

1. Was ist Kohlefaser und Fiberglas?

Kohlefaser

Es handelt sich um ein Hochleistungspolymermaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90%. Es wird durch physikalische und chemische Behandlung organischer Vorläuferfasern (wie PAN, Viskose, Erdölasphalt usw.) hergestellt.

Fiberglas

Es wird aus anorganischen Substanzen wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Calciumoxid usw. durch ein Hochtemperaturschmelz- und Drahtziehverfahren hergestellt. Es ist ein Verstärkungsmaterial mit hoher Zugfestigkeit, guter Hitzebeständigkeit und Isolierung.

2. Vergleich der Materialeigenschaften

Die Vergleichsindikatoren der physikalischen und chemischen Eigenschaften zwischen Kohlenstofffasern und Glasfasern sind wie folgt

Leistungsindikatoren	Kohlefaser	Fiberglas	Vergleichsergebnis
Zugfestigkeit (MPa)	3000–7000 (hoher Modul)	1000-3500	Kohlefaser ist zwei- bis dreimal stärker als Fiberglas.
Elastizitätsmodul (GPa)	250-700	60-90	Kohlefaser ist 4 bis 8 Mal stärker als Fiberglas.
Dichte	1.5-1.7	2.3-2.7	Kohlefaser ist 30–40% leichter als Fiberglas.
Wärmeausdehnungskoeffizient (×10⁻⁶/°C)	-1 -1,6 (Längsrichtung)	5.0-6.5	Die Größe von Kohlefasern ist in Längsrichtung stabil. Glasfaser hingegen ist isotrop, ihre Abmessungen bleiben in alle Richtungen stabil.
Korrosionsbeständigkeit	Ausgezeichnet (rostet nicht in feuchter Umgebung und ist beständig gegen Säuren und Laugen)	Gut (beständig gegen chemische Korrosion und anfällig für Abnutzung bei längerer Einwirkung feuchter Umgebungen)	Kohlefaser ist besser
Elektrische Leitfähigkeit	Gutes Leitvermögen für Strom	Gute Isolierung	Fiberglas eignet sich besser für Isolierungsszenarien.
Schlagzähigkeit (kJ/m²）	30-60 (CFK)	50-180 (GFK)	Kohlefaser hat eine geringe Zähigkeit und eine hohe Sprödigkeit. Glasfaser hingegen hat eine etwas höhere Zähigkeit und neigt vor dem Bruch zu plastischer Verformung.
Kosten ($/kg)	20-50	2-5	Fiberglas ist kostengünstiger

3. Vergleich der Vor- und Nachteile

Kohlefasermaterialien

Vorteile
- Es verfügt über eine gute Ermüdungsbeständigkeit und hält hoher Festigkeit, zyklischen Belastungen und Spannungen stand.
- Das extrem hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Die Dichte von Kohlefaser beträgt ein Viertel der Dichte von Metall, während ihre Festigkeit 7- bis 9-mal so hoch ist wie die von Metall. Bei gleichem Gewicht ist ihre Festigkeit 4- bis 5-mal so hoch wie die von Metall.
- Korrosionsbeständig: Das Verstärkungsmaterial aus der Kombination von Kohlefaser und Epoxidharz rostet nicht und ist beständig gegen Säuren und Laugen.

Nachteile
- Aufgrund der geringen Zähigkeit und der hohen Sprödigkeit bricht es sehr leicht.
- Der Herstellungsprozess ist komplex und zeitaufwändig, was zu hohen Kosten führt.
- Die derzeitigen Recyclingtechnologien und -geräte sind begrenzt, was das Recycling erschwert und zu Umweltverschmutzung führt.

Fiberglasmaterial

Vorteile
- Es hat eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und kann als Isoliermaterial verwendet werden.
- Die geringen Kosten ermöglichen die Anwendung in grundlegenderen Bereichen.
- Es hat eine hohe Zähigkeit und ist nicht leicht zu brechen

Nachteile
- Schlechte Witterungsbeständigkeit über einen längeren Zeitraum. Wenn es über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und sauren oder alkalischen Umgebungen ausgesetzt ist, korrodiert seine Oberfläche, was seine Leistung erheblich verringert.
- Die Hitzebeständigkeit von Glasfasern ist schlechter als die von Kohlefasern. In einer Umgebung mit langfristig hohen Temperaturen nimmt auch ihre Leistung erheblich ab.
- Gesundheits- und Umweltschäden: Die Glasfaserfilamente sind besonders scharf. Eindringen sie in die Haut, können sie ein stechendes Gefühl und Entzündungen verursachen. Eingeatmet gefährden sie die Atemwege erheblich. Auch der bei der Herstellung und Verarbeitung entstehende Staub kann die Umwelt belasten.

4. Vergleich der Anwendungsfelder

Luft- und Raumfahrt

Kohlefaser: Sie kann die Festigkeit von unbemannten Luftfahrzeugen, Flugzeugrahmen und Strukturkomponenten erheblich steigern und gleichzeitig Gewicht und Energieverbrauch reduzieren.

Automobil

Kohlefaser: Sie wird in Karosserie, Türen, Innenausstattung und Bremssystemen von Hochleistungsfahrzeugen eingesetzt. Ihr geringes Gewicht und ihre hohe Widerstandsfähigkeit können den Kraftstoffverbrauch senken und die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße verbessern.

Sportausrüstung

Kohlefaserrohre Im Rollwickelverfahren hergestellte Produkte zeichnen sich durch Ermüdungsbeständigkeit und geringes Gewicht aus. Sie können für Hochleistungsfahrradrahmen, Angelruten, Golfschläger und Paddelgriffe verwendet werden und helfen Sportlern, den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz zu verbessern.

Die Zeltstangen bestehen aus Fiberglas. Sie dienen als Zeltstützen, um dem Eindringen von Wind und Regen standzuhalten und sind leicht zu tragen.

Architektur und Infrastruktur

Kohlefaser: Verstärkungsseile für den Brückenbau und Fachwerke zur Brückenverstärkung verbessern die Erdbebensicherheit und die Belastbarkeit gegenüber zyklischen Belastungen.

Fiberglas: Aufgrund seiner geringen Kosten und Haltbarkeit wird es häufig in Baumaterialien verwendet, beispielsweise als Verstärkungszement und Gipskartonplatten zur Unterstützung sowie als Isolier- und Abdichtungsmaterial zur Wärmedämmung und Abdichtung.

5. Fazit

Bei Kohlefaser- und Glasfasermaterialien gibt es keinen Unterschied zwischen gut und schlecht. Die endgültige Materialwahl hängt von einer umfassenden Betrachtung Ihrer Leistungsanforderungen, Anwendungsbedürfnisse und Kosten ab.

Teilen Sie uns auch Ihre Lösungsanforderungen mit. Unser Forschungs- und Entwicklungsteam bei JCC bietet Ihnen maßgeschneiderten Service für Ihre Kohlefaserteile und -produkte.