Carbonfasermaterial – Der ultimative Leitfaden für Anfänger und Experten

Kohlefasermaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig verwendet. Viele Menschen kennen dieses Hochleistungsmaterial jedoch nur unzureichend. Dieser Leitfaden analysiert Kohlefaser eingehend anhand ihrer Geschichte, Eigenschaften, Vor- und Nachteile, Produktionsprozesse und Anwendungen. Er soll Ihnen helfen, ein tieferes Verständnis für Kohlefaser zu erlangen und Ihre Projekte und Ihre Branche besser zu unterstützen.

1. Was ist Kohlefaser?

Kohlenstofffasern, auch Graphitfasern genannt, sind Hochleistungsfasern mit einem Kohlenstoffanteil von über 90 %. Die Faserstruktur besteht aus länglichen Kohlenstoffkristallfilamenten. Sie besteht aus dünnen Faserbündeln aus Vorläuferpolymeren (wie PAN, Viskose oder Petroleumasphalt), die bei niedrigen Temperaturen oxidiert und bei hohen Temperaturen karbonisiert werden.

2. Die Geschichte der Kohlefaser

Kohlefaser existiert seit ihrer Erfindung durch Joseph Swan im Jahr 1860 seit über 150 Jahren. Nach rund einem Jahrhundert Entwicklungszeit entwickelte die HI Thompson Fiberglas Company 1960 ein neues Verfahren, das die Eigenschaften von Kohlefasermaterialien schrittweise verbesserte und optimierte. Seit dem 21. Jahrhundert wird Kohlefaser aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer hohen Temperaturbeständigkeit zunehmend in verschiedenen Hightech-Bereichen eingesetzt.

3. Wie wird Kohlefaser hergestellt?

Obwohl seit der Erfindung der Carbonfaser anderthalb Jahrhunderte vergangen sind, wissen die meisten Menschen noch immer wenig über ihren Produktionsprozess. Aufgrund seiner wichtigsten Geschäftsgeheimnisse halten viele Hersteller den Herstellungsprozess streng geheim. Wir geben Ihnen einen detaillierten Überblick über den Produktionsprozess von Carbonfasern. So erhalten Sie technische Anleitung und Unterstützung, um ihn optimal zu nutzen.

Da aus Kohlenstofffasern häufig Verbundwerkstoffe für ein breites Anwendungsspektrum hergestellt werden, gliedert sich ihr Produktionsprozess im Allgemeinen in zwei Teile:

Vorbereitung des Rohfilaments: umfasst komplexe physikalische und chemische Prozesse.

• Vorläuferaufbereitung – Spinnen: Vorläuferpolymere wie PAN, Viskose oder Asphalt werden gesponnen, um fadenförmige Kohlefaserstränge zu bilden.
• Oxidation und Stabilisierung: Die Filamente werden in einer stabilen sauerstoffhaltigen Umgebung auf etwa 300–500 °C erhitzt. Dadurch werden die Wasserstoffatome zerstört und die Sauerstoffatome stabiler.
• Verkohlung:  Die oxidierten Kohlenstofffasern werden bei hohen Temperaturen (ca. 2000°C) in einer Schutzgasatmosphäre weiter karbonisiert. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Festigkeit
• Oberflächenbeschaffenheit: Karbonisierte Kohlenstofffasern haben eine sehr glatte Oberfläche. Um eine bessere Verbindung mit Epoxidharzen oder anderen Harzen zu gewährleisten, müssen sie aktiviert werden.
• Dimensionierung und Wicklung: Die Oberfläche des Kohlefaserfilaments ist sehr empfindlich, daher wird es zum Schutz mit Harz beschichtet und schließlich zur weiteren Verarbeitung auf eine Spule gewickelt.

Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen:

• Vorimprägnierung: Kohlefasergewebe oder -kabel muss mit Epoxidharz, einem duroplastischen Material, vorimprägniert werden, um sicherzustellen, dass das Harz in die Lücken des Faserkabels eindringt.
• Hochtemperaturformung: Das vorimprägnierte Kohlefasergewebe muss eine Pultrusionsformung, einen Wickelprozess, eine Filamentwickelformung, eine Heißpressdosenformung, eine RTM-/Vakuumbeutelformung, eine Pressformung und eine Ofenformung durchlaufen.

Schließlich kann Folgendes gemacht werden:

• Kohlefaserplatten & -paneele & -bretter
• Carbonfaserrohr
• Kohlefaserstäbe
• Teile, Komponenten und Profile aus Kohlefaser: wie etwa Achtkantrohre, Sechskantrohre, Drohnenteile, Autoteile, Fahrradrahmen und Rohre in verschiedenen Formen.

4. Vorteile und Nachteile

Ein umfassendes Verständnis der Vor- und Nachteile von Kohlefasern kann Ihnen dabei helfen, Risiken bei der Produktentwicklung, dem Design, der Produktion usw. besser zu vermeiden und die Leistung Ihres Produkts zu verbessern.

Vorteile

• Geringe Dichte: Seine Dichte beträgt etwa 1,5–1,8 g/cm³, also nur 1/3 der Dichte von Aluminium, sodass sein Gewicht viel geringer ist als bei anderen Metallen.
• Hohe Festigkeit und Steifigkeit: Es hält äußeren Zug- und Extrusionsbelastungen stand, ohne sich zu verformen oder zu verbiegen.
• Chemische Beständigkeit: Kohlefaser bleibt in zahlreichen sauren und alkalischen Umgebungen stabil und korrosionsbeständig und eignet sich für verschiedene feuchte und raue Umgebungen.
• Ermüdungsbeständigkeit: Kohlefaser kann zyklischen Wechselspannungsbelastungen standhalten, ohne sich zu verformen oder eine nennenswerte Verschlechterung der Leistung zu zeigen.
• Hochtemperaturbeständigkeit: Stabil in Umgebungen bis zu 2000 °C.
• Geringe Wärmeausdehnung: Studien haben gezeigt, dass es bei extrem niedrigen und hohen Temperaturen formstabil ist.

Die Vorteile der Kohlefaser stehen außer Frage, sie hat jedoch auch viele Nachteile, die die weitere Entwicklung einschränken.

• Hohe Kosten: Aufgrund der hohen Rohstoffkosten, des komplexen Produktionsprozesses und des hohen Energieverbrauchs sind auch die Kosten für Kohlefasergewebe hoch.
• Recycling-Schwierigkeit: Es gibt keine ausgereifte Recyclingtechnologie und -ausrüstung, was das Recycling von Kohlefasern erschwert. Auch die Festigkeit recycelter Kohlefasern kann von der der vorherigen nicht erreicht werden.
• Verarbeitungsschwierigkeiten: Für Kohlenstofffasern sind zwei Prozesse erforderlich: die Herstellung von Rohseide und die Herstellung von Verbundwerkstoffen. Beide Prozesse sind sehr schwierig und anspruchsvoll.

5. Arten von Kohlefasern

Kohlefasern gibt es in vielen Varianten und ihre Klassifizierungsstandards sind vielschichtig. Sie können passende Kohlefaserprodukte basierend auf Ihren Branchen- und Projektanforderungen auswählen.

Basierend auf Rohfilamentmaterial:

• PAN-basierte Kohlefaser: Dies ist der häufigste Typ, karbonisiert aus PAN.
• Asphaltbasierte Kohlefaser: Aus Erdöl oder Kohlenteer karbonisierte Asphaltvorläufer.
• Auf Viskose basierende Kohlenstofffaser: Hergestellt aus Viskose (Viskosefaser).

Zugmodul basierend auf der Leistung:

• Standard-Elastizitätsmodul-Kohlefaser (HS): Elastizitätsmodul 240–300 GPa, Zugfestigkeit geschätzt mindestens 2.500 MPa oder mehr.
• Kohlenstofffaser mit mittlerem Modul (IM): Elastizitätsmodul 300–350 GPa, Zugfestigkeit gleich oder über 3.500 MPa.
• Hochmodulige Carbonfaser (HM): Elastizitätsmodul 350–500 GPa, Zugfestigkeit mindestens 2.500 MPa.
• Ultrahochmodulige Kohlefaser (UHM): Elastizitätsmodul >500 GPa, Zugfestigkeit 2.500 MPa oder mehr.

Nach Faserform:

• Endlos-Carbonfaserfilament: Liegt normalerweise in Form von Garn oder Gewebe vor und wird für Verbundwerkstoffanwendungen verwendet.
• Gehackte Kohlefaser: Normalerweise einige Millimeter oder Zentimeter lang und wird zum Formen oder Spritzgießen verwendet.
• Kohlefasermatte: Hergestellt aus zufällig angeordneten Kurzfasern, typischerweise im nicht gewebten Zustand.

Kohlefasergewebe basierend auf Webarten:

• Köperbindung: Weist ein diagonales Muster auf und verfügt über bessere Drapiereigenschaften.
• Leinwandbindung: Eine einfache Webmethode mit Verflechtung von Kette und Schuss, Schachbrettmuster, guter Stabilität und einfacher Handhabung.

Satinbindung: Glatte Oberfläche, glänzend, geeignet für komplex gekrümmte Oberflächen.

6. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten von Kohlefasermaterial

Kohlefaser als hochwertiger, fortschrittlicher Verbundwerkstoff mit seiner einzigartigen hervorragenden Leistung und der wachsenden Marktnachfrage erweitert sein Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen von Hightech bis zum täglichen Leben. Unser Anwendungsleitfaden für Kohlefasern kann Ihrem F&E-Team neue Erkundungsrichtungen aufzeigen und Ihnen helfen, die Kundennachfrage nach hochfesten, leichten Kohlefaserprodukten besser zu verstehen und zu erfüllen.

• Luft- und Raumfahrt: Wie etwa UAV-Rümpfe und Propeller, Strukturkomponenten von Raumfahrzeugen und Wärmeschutzsysteme
• Automobilindustrie: Autoteile wie Karosserieteile und Fahrgestelle, Antriebswellen und Aufhängungssysteme
• Medizinprodukte: Röntgengerätehalterungen und -betten, Prothesen und Orthesen
• Outdoor-Sportgeräte: Fahrradkomponenten, Trekkingstöcke, Skistöcke, Ruder
• Industrielle Ausrüstung: Wie etwa Roboterarme, Roboterteile und Stative für Vermessungs- und Aufnahmezwecke.

7. Fazit

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie geringes Gewicht und hohe Festigkeit werden Kohlefasern trotz hoher Kosten, Schwierigkeiten im Produktionsprozess und anderer Einschränkungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilherstellung, der Medizintechnik und anderen Bereichen eingesetzt. Dennoch haben sie in zahlreichen Hightech-Bereichen ihren Platz gefunden. Daher wird die Wahl von Kohlefasermaterialien für Ihr Projekt oder Ihren Bereich die Leistung Ihrer Produkte erheblich steigern.

Häufig gestellte Fragen:

1. Rostet Kohlefaser?
Da Kohlefaser hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht und keine Metalle oder andere rostanfällige Elemente enthält, rostet sie nicht so leicht und weist eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf.

2. Ist Kohlefaser ein Verbundwerkstoff?
Kohlenstofffasern selbst sind ein einzelnes Material und kein Verbundwerkstoff. Sie werden jedoch typischerweise mit duroplastischen Polymeren (wie Epoxidharz) kombiniert, um Verbundwerkstoffe herzustellen.

3. Was ist Kohlefaserverbundstoff?
Kohlefaserverbundstoffe, auch als kohlenstofffaserverstärkte Polymere bekannt, sind hochfeste verstärkte Verbundwerkstoffe, die durch die Verarbeitung eines Kohlefasersubstrats und thermoplastischer Polymere (wie etwa Epoxidharz) bei hohen Temperaturen entstehen.

4. Welche Leistung ist bei Kohlefaser-Verbundwerkstoffen möglich?
CFK-Werkstoffe zeichnen sich unter vielen anderen durch ihr hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, ihre hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit sowie ihre Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Korrosion aus.

5. Wie erfolgt der Herstellungsprozess von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen?
Zu den Herstellungsverfahren für Kohlenstofffaserverbundstoffe gehören Prepreg, Harztransferformen, Vakuumverpackung, Kompressionsformen, Pultrusion und Filamentwickeln.

Weitere Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers –Quelle aus Wikipedia

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/carbon-fiber –Quelle von Sicencedirect