Kohlenstofffaser

Kohlenstofffaser (Carbonfaser) ist eine Industriefaser mit sehr hoher Festigkeit, und Steifigkeit, jedoch einer geringen Bruchdehnung.

Die Einzelfaser(Filament) hat einen Durchmesser von etwa 6-7 Mikrometer.

Eigenschaften

Sie ist elektrisch und thermisch leitfähig und hat in Längsrichtung einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Bezeichnungen:

• HT – hochfest
• IM – intermediate
• HM – hochsteif
• HMS – hochsteif/hochfest

Herstellung

Zum ersten Mal technisch eingesetzt wurden Kohlenstoffasern 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 von Kohlenstoff abgespalten. Der Kohlenstoffanteil steigt mit zunehmender Carbonisierungstemperatur. Von Graphitierung spricht amn oberhalb 1800°C. Hier werden im wesentlichen die graphitischen Kohlenstoffschichten mehr und mehr perfektioniert.´ Es kommt jedoch niemals zur Ausbildung einer Graphitstruktur. Der Schichtebenenabstand bleibt über dem für Graphit bekannten Wert. Deshalb ist auch der im englischen Sprachraum eingebürgerte Begriff "graphite fiber(fibre)" streng genommen nicht korrekt. Dies gilt auch für den im deutschen Sprachraum verwendeten Begriff "Kohlefaser". Kohle im Bergbau ähnelt nicht im geringsten in ihrer Struktur den Fasern.

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

Wird das Pech lediglich geschmolzen, versponnen und graphitiert, erhält man isotrope Kohlenstofffasern bescheidener Qualität. Wird das Pech durch eine Hydrierungsbehandlung in die Mesophasenform überführt, so bilden sich in den daraus hergestellte Filamente bei einer nachgeschalteten Pyrolyse graphitische Kohlenstoff-Ebenen entlang der Faserachse, die durch Verstreckung ausrichtbar sind.

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 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. Betrachtet man jedoch die gewichtsbezogenen Eigenschaften, so verschiebt sich das Verhältnis zugunsten der Kohlenstofffasern.

Hersteller

• Toray
• Hercules
• Celanese
• Hysol Grafil
• SGL CARBON AG ([[1]])

siehe auch: Leichtbau, Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)