Kohlenstofffaser

Kohlenstofffasern (engl.: carbon fibre) sind industriell hergestellte Fasern mit einer sehr hohen Festigkeit und Steifigkeit, jedoch einer geringen Bruchdehnung.

Eine Kohlenstoff-Faser hat einen Durchmesser von etwa 5-8 Mikrometer. Üblicherweise werden 1000 bis 24.000 Einzelfasern (Filamente) zu einem Bündel (Roving) zusammengefasst, das auf Spulen gewickelt wird. Die Weiterverarbeitung erfolgt zum Beispiel auf Webmaschinen zu textilen Strukturen.

Als Kurzschnittfasern können sie Polymeren beigemischt werden und über Extruder- und Spritzgussanlagen zu Kunststoffbauteilen verarbeitet werden. Neben diesen Niederfilament-Typen gibt es auch sogenannte HeavyTow-Typen mit 120.000 bis 400.000 Einzelfasern, die hauptsächlich zu Kurzschnittfasern, aber auch zu textilen Gelegen weiterverarbeitet werden. Es ist auch möglich, solche HeavyTows mit Subtows z.B. in der Form 7 x 60.000 Einzelfilamente herzustellen.

Eigenschaften

Typische Eigenschaften von HT-Kohlenstofffaser			Dichte	1,8 g/cm³		Filamentdurchmesser	7 µm		Zugfestigkeit	3530 MPa		Zug-E-Modul	230 GPa		Bruchdehnung	1,5 %

Typische Eigenschaften von UMS-Kohlenstofffaser			Dichte	1,8 g/cm³		Filamentdurchmesser	7 µm		Zugfestigkeit	4560 MPa		Zug-E-Modul	395 GPa		Bruchdehnung	1,1 %

Sie ist elektrisch sehr gut und thermisch gering leitfähig und hat in Längsrichtung einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Faser wird bei Erwärmung kürzer, jedoch nimmt die Dicke zu.

Spezifische Wärmekapazität J/(kg·K) 710
Wärmeleitzahl W/(m·K) 17
Wärmeausdehnungskoeffizient ^* -0,1
Spezifischer elektrischer Widerstand Ohm·cm || 1,6 · 10^-3

Bezeichnungen:

HT – hochfest (High Tenacity)
IM – intermediate (Intermediate Modulus)
HM – hochsteif (High Modulus)
UM – (Ultra Modulus)
UHM – (Ultra High Modulus)
UMS – (Ultra Modulus Strenght)
HMS – hochsteif/hochfest

Herstellung

Kohlenstofffasermatte.jpg

Zum ersten Mal technisch eingesetzt wurden Kohlenstofffasern als elektrische Glühfäden aus pyrolisierten Bambusfasern (Edison, um 1890).

Ein großer Schritt gelang 1955 mit der Herstellung von Fasern mit gerichteten Kristallstrukturen im englischen Royal Aircraft Establishment.

Kohlenstofffasern werden aus organischen Ausgangsmaterialien hergestellt. Im Wesentlichen kommen solche Verbindungen in Frage, die sich zunächst in eine unschmelzbare und unbrennbare Zwischenstufe umwandeln lassen, und anschließend unter Formerhalt carbonisiert werden können. Bei dieser Carbonisierungsbehandlung (Pyrolyse) werden alle Elemente bis auf den Hauptanteil Kohlenstoff abgespalten. Der Kohlenstoffanteil steigt mit zunehmender Carbonisierungstemperatur. Üblicherweise liegen die Carbonisierungstemperaturen im Bereich von 1300 - 1500 °C, wodurch der Kohlenstoffanteil auf 96 bis 98 Gewichtsprozente ansteigt. Von Graphitierung spricht man oberhalb 1800 °C. Hier werden im Wesentlichen die graphitischen Kohlenstoffschichten mehr und mehr perfektioniert. Der Schichtebenenabstand zwischen diesen Kohlenstoffschichten bleibt jedoch über dem vom Graphit bekannten Wert. Deshalb ist der im englischen Sprachraum übliche Begriff "graphite fiber(fibre)" streng genommen nicht korrekt. Dies gilt auch für die im deutschen Sprachraum verwendeten Begriffe "Graphitfaser" und "Kohlefaser".

Die Strukturvielfalt der Fasern mit der großen Bandbreite an Eigenschaften resultiert aus der über die Herstellparameter steuerbaren Anisotropie der graphitischen Schichten.

Es gibt heute drei etablierte Ausgangsmaterialien:

Rayon/Viskose (Zellulose)

Die hieraus hergestellten Fasern zeigen aufgrund des Ausgangsmaterials eine wenig perfekte Kohlenstoffstruktur. Sie sind damit schlecht thermisch und elektrisch leitfähig (hoher ohmscher Widerstand = günstig für Glühfaden). Sie werden deshalb überwiegend als thermisch hochbelastbare Isolierwerkstoffe z.B. im Ofenbau eingesetzt.

Polyacrylnitril (PAN)

Der Großteil der heute gebräuchlichen Hochleistungsfasern (HT/IM) wird aus Polyacrylnitril gefertigt. Ihr wesentliches Merkmal ist die hohe Zugfestigkeit. Man unterscheidet Niederfilament- und Multifilamentfasern (HeavyTow). Letzteres nutzt die günstigeren Fertigungstechnologien der Textilindustrie.

Pech (unterschiedlicher Herkunft)

Pech als Ausgangsstoff ist wesentlich billiger als PAN, aber die Reinigungs- und Aufbereitungskosten sind so hoch, dass Fasern aus PAN letztendlich preiswerter sind.

Wird das Pech lediglich geschmolzen, versponnen und graphitiert, erhält man isotrope Kohlenstofffasern bescheidener Qualität. Erst die Überführung in die sogenannte Mesophase durch eine Hydrierungsbehandlung erlaubt eine Orientierung der Kohlenstoff-Netzebenen entlang der Faserachse durch Verstreckung während des Herstellprozesses.

Dies erlaubt die Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit (HM). Bei gleichzeitiger hoher Zugfestigkeit (HMS) sind die Fasern nur für Spezialanwendungen wirtschaftlich einsetzbar.

Anwendung

Um die mechanischen Eigenschaften der Fasern nutzen zu können, werden sie zu Faserverbundwerkstoffen und insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunden und seit einiger Zeit auch in keramischen Faserverbundwerkstoffen weiterverarbeitet.

Kohlenstofffasern sind im Vergleich zu Glasfasern immer noch recht teuer, sie werden daher vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie im Hochleistungssport eingesetzt. So ist zum Beispiel das sog. Monocoque bei Formel-1-Rennwagen aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt. Imposante Beispiele bei der Luftfahrt sind beispielsweise die Tragflächen des Airbus A350 oder der Rumpf bei der Boeing 787.

Betrachtet man jedoch die gewichtsbezogenen Eigenschaften, so verschiebt sich das Verhältnis zugunsten der Kohlenstofffasern, weshalb künftig sicher weitere Anwendungen zu erwarten sind.

Hersteller

Toray
- TORAYCA® Carbon Fiber
Hexcel (vorher Hercules) ^*
Toho Tenax ^*
Hysol Grafil
SGL CARBON AG

siehe auch: Leichtbau, Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), Glasfaser

Faser

Въглеродно влакно | Carbon fiber | Hiilikuitu | Fibre de carbone | Koolstofvezel