Kohlenstofffaser, auch als Kohlenstoffgraphit bekannt, ist eine hochfeste Faser, die durch Erhitzen synthetischer Fasern oder Polyacrylnitrilfasern oder Erdölpitch bei einer geeigneten Temperatur hergestellt wird. Heutzutage ist Kohlenstofffaser zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Produkte geworden, wobei jedes Jahr neue Anwendungen entwickelt werden. Die USA, Japan und Westeuropa sind die Hauptproduzenten von Kohlenstofffasern.

Was macht sie einzigartig?

Kohlenstofffaser ist die härteste und stärkste Verstärkungsfaser in Polymerverbundstoffen, nur übertroffen von Glasfaser. Kohlenstofffasern werden nach dem Zugmodul der Faser klassifiziert, das misst, wie viel Zugkraft eine Faser von bestimmtem Durchmesser ohne Bruch standhalten kann. Je nach Ausrichtung der Faser können Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe in einer Richtung stärker oder in alle Richtungen gleich stark sein. Ein kleines Stück kann mehrere Tonnen Aufprall standhalten, mit minimaler Verformung. Die komplexe Verflechtung der Fasern macht sie schwer zu brechen.

Hauptanwendungen

Die beiden Hauptanwendungen von Kohlenstofffaser liegen in spezialisierten Technologien, einschließlich Luft- und Raumfahrt- und Nukleartechnik. Andere funktionale Bereiche umfassen Textilien, Mikroelektroden, kohlenstofffaserverstärkte Verbundstoffe zur Herstellung von Flugzeug- und Raumfahrzeugteilen, Karosserien für Rennwagen, Schaft von Golfschlägern, Fahrradrahmen, Angelruten, Fahrwerksfedern, Masten von Segelbooten und viele andere Komponenten, die leicht und hochfest sein müssen.

Klassifizierung von Kohlenstofffaser

Kohlenstofffaser kann nach ihrem Modul, ihrer Festigkeit und ihrer Endwärmebehandlungstemperatur klassifiziert werden.

Rohstoffe und Herstellungsprozess

Die zur Herstellung von Kohlenstofffaser verwendeten Materialien werden als Vorstufen bezeichnet. Etwa 90 % der Kohlenstofffasern werden aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Die restlichen 10 % werden aus synthetischen Fasern oder Erdölpitch hergestellt. All diese Materialien sind organische Polymere, die durch lange Ketten von Molekülen charakterisiert sind, die durch Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind. Die genaue Zusammensetzung jeder Vorstufe variiert je nach Unternehmen und wird oft als Geschäftsgeheimnis betrachtet.

Herstellungsprozess

Der Herstellungsprozess von Kohlenstofffaser ist teilweise chemisch und teilweise mechanisch. Die Vorstufe (das molekulare Rückgrat der Faser) wird zu langen Ketten oder Fasern gestreckt und dann auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, um zu verhindern, dass sie mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Ohne Sauerstoff können die Fasern nicht brennen. Stattdessen führt die hohe Temperatur zu heftigen atomaren Schwingungen innerhalb der Faser, bis die meisten Nicht-Kohlenstoffatome ausgetrieben sind. Dieser Prozess wird Karbonisierung genannt und hinterlässt Fasern, die aus langen, eng miteinander verflochtenen Ketten von Kohlenstoffatomen bestehen, wobei nur noch wenige Nicht-Kohlenstoffatome übrig bleiben.

Sicherheitsprobleme

Das Hauptgesundheitsrisiko beim Umgang mit Kohlenstofffaser ist auf mechanische Reizung und Abrieb zurückzuführen, ähnlich wie bei Glasfasern. Wenn nicht kontrolliert, haben diese Mikrofasern das Potenzial, sich in menschlicher Haut oder Schleimhäuten einzubetten und Irritationen zu verursachen. Es ist wichtig, Augen und Rachen vor Kohlenstofffaserstaub zu schützen.

Gründe für den Ersatz von traditionellen Materialien durch Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe

1. Hohe Festigkeit-Gewicht-Verhältnis: Kohlenstofffaser wiegt etwa 25 % von Stahl, 70 % von Aluminium und ist sowohl stärker als auch härter als beide. Ingenieure im High-End-Automobilbereich verwenden Verbundwerkstoffe, um das Fahrzeuggewicht um bis zu 60 % zu reduzieren und gleichzeitig die Kollisionssicherheit zu verbessern.

2. Haltbarkeit: Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe rosten unabhängig von der Umgebung nicht. Ihre Bruchzähigkeit ist geringer als bei Metallen, aber höher als bei den meisten Polymeren. Die hohe Dimensionsstabilität ermöglicht es ihnen, ihre Form beizubehalten, egal ob heiß oder kalt, nass oder trocken.

3. Neue Designoptionen: Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe bieten Designoptionen, die mit traditionellen Materialien schwer zu erreichen sind. Sie ermöglichen die Konsolidierung von Teilen; ein einzelnes Verbundteil kann die gesamte Montage aus Metallteilen ersetzen. Die Oberflächentextur kann so verändert werden, dass sie jede Oberfläche imitiert, von glatt bis strukturiert.

Die Zukunft von Kohlenstofffaser

Die Zukunft des Marktes für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sieht vielversprechend aus, mit Chancen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Druckbehälter und Windenergieindustrie. Die Haupttreiber dieses Marktes sind die wachsende Nachfrage nach leistungsstarken und leichtgewichtigen Verbundwerkstoffen und die steigenden Leistungsanforderungen verschiedener Endverbraucherbranchen. Zu den sich direkt auf die Branche auswirkenden aufkommenden Trends gehören die Entwicklung von Technologien zur Reduzierung der Herstellungskosten für Kohlenstofffaser und das Recycling von Teilen und CFK, da recycelte Kohlenstofffaser die Produktkosten und Umweltauswirkungen reduziert.