Kohlenstofffaser

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6 µm dicke Kohlenstoff-Faser im Vergleich zu einem 50 µm dicken Menschenhaar.

Kohlenstofffasern (auch Kohlefasern, engl.: carbon fibre) sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen: isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer 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 von siebenmal 60.000 Einzelfilamenten herzustellen.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Typische Eigenschaften von HT-Kohlenstofffasern
Dichte	1,8 g/cm³
Filamentdurchmesser	7 µm
Zugfestigkeit	3530 MPa(N/mm²)
Zug-E-Modul	230 GPa
Bruchdehnung	1,5 %

Typische Eigenschaften von UMS-Kohlenstofffasern
Dichte	1,8 g/cm³
Filamentdurchmesser	7 µm
Zugfestigkeit	4560 MPa(N/mm²)
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 [10^-6/K] -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 Strength)
HMS – hochsteif/hochfest

[Bearbeiten] Herstellung

Kohlenstofffasergewebe

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. Es kommen in erster Linie solche Verbindungen in Frage, die sich zunächst in eine unschmelzbare Zwischenstufe umwandeln lassen und anschließend unter Formerhalt in einem Pyrolyseprozess zum Kohlenstoff carbonisiert werden können. Durch Verstreckung (Anlegen von einer Zugspannung) bei diesem Temperaturbehandlungsschritt lässt sich die Orientierung der atomaren Struktur in den Fasern so verändern, dass bei der Carbonisierung höhere Festigkeiten und Steifigkeiten der Fasern erreicht werden. Bei dieser Carbonisierungsbehandlung werden alle Elemente bis auf den Hauptanteil Kohlenstoff gasförmig abgespalten. Der Kohlenstoffanteil steigt mit zunehmender Temperatur, die üblicherweise im Bereich von 1300 - 1500 °C liegen. Damit wird ein Kohlenstoffanteil von 96 bis 98 Gewichtsprozenten erreicht. Von Graphitierung spricht man oberhalb 1800 °C. Hierbei wird vor allem die Struktur der graphitischen Kohlenstoffschichten mehr und mehr perfektioniert. Der Schichtebenenabstand zwischen diesen Kohlenstoffschichten bleibt jedoch über dem vom eigentlichen 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. Bei Endlosfasern erreicht man je nach Fasertype nahezu den theoretischen Steifigkeitswert, jedoch üblicherweise nur 2-4% der theoretischen Festigkeit. Bei Fasern, die abweichend von der oben beschriebenen Methode aus der Gasphase abgeschieden werden (sogenannte Whisker mit sehr kurzer Länge), sind deutlich höhere Festigkeiten erreichbar.

Es gibt heute drei etablierte Ausgangsmaterialien für Endlosfasern aus Kohlenstoff:

[Bearbeiten] Rayon/Viskose (Zellulose)

Die auf Zellulosebasis über das Viskoseverfahren hergestellten Viskosefasern sind hier das Startmaterial für die Kohlenstofffasern. Diese zeigen aufgrund des Ausgangsmaterials eine wenig perfekte Kohlenstoffstruktur. Sie zeigen damit eine vergleichsweise niedrige thermische und elektrische Leitfähigkeit. (In der Verwendung als Glühfaden war der hohe ohmsche Widerstand allerdings günstig.) Sie werden deshalb überwiegend als (unter Luft/Sauerstoffabschluss) thermisch hochbelastbare Isolierwerkstoffe eingesetzt, zum Beispiel im Ofenbau.

[Bearbeiten] Polyacrylnitril (PAN)

Der größte Teil der heute gebräuchlichen Hochleistungsfasern (HT/IM) wird aus Polyacrylnitril gefertigt. Ihr wesentliches Merkmal ist die hohe Zugfestigkeit. Man unterscheidet Niederfilament- und Multifilamentfasern (HeavyTow). Bei letzteren werden die günstigeren Fertigungstechnologien der Textilindustrie genutzt; daher sind sie am kostengünstigsten.

[Bearbeiten] Pech (unterschiedlicher Herkunft)

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

Wird das Pech lediglich geschmolzen, versponnen und graphitiert, erhält man isotrope Kohlenstofffasern mit geringeren Festigkeitswerten. 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 dann auch die Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit (HM). Bei gleichzeitiger hoher Zugfestigkeit (HMS) werden diese Fasern aus Kostengründen nur in Spezialanwendungen eingesetzt.

[Bearbeiten] Anwendung

Um die mechanischen Eigenschaften der Fasern nutzen zu können, werden sie bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunden, und seit einiger Zeit auch bei 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 (zum Beispiel Angelruten, Rennrädern, Tennisschlägern, Speedskates, Ruderbooten) eingesetzt. So ist zum Beispiel auch das sogenannte 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.

Weitere Anwendungen sind in der Zukunft sicher in Bereichen zu erwarten, bei denen wie in den obigen Beispielen der Vorteil der hohen Festigkeit in Verbindung mit geringem Gewicht (hohe spezifische Festigkeit) vorteilhaft genutzt werden kann.