Kohlenstofffaser
Kohlenstofffasern (Carbonfasern) sind industriell hergestellte Fasern mit einer sehr hohen Festigkeit und Steifigkeit, jedoch einer geringen Bruchdehnung.
Eine Kohlenstofffaser hat einen Durchmesser von etwa 5-8 Mikrometer. Üblicherweise werden 1000 bis 24000 Einzelfasern zu einem Bündel zusammen gefasst, die auf Spulen gewickelt werden. Die Weiterverarbeitung erfolgt zum Beispiel mit 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
Sie ist elektrisch und thermisch leitfähig und hat in Längsrichtung einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Faser wird bei Erwärmung kürzer, jedoch nimmt die Dicke zu.
Bezeichnungen:
| Typische Eigenschaften von HT-Kohlenstofffaser | |
|---|---|
| Dichte | 1,8g/cm³ |
| Filamentdurchmesser | 7 µm |
| Zugfestigkeit | 3000-4000 N/mm² |
| Elastizitätsmodul | 230 000 N/mm² |
| Bruchdehnung | 1,8 % |
- HT – hochfest (High Tensile)
- IM – intermediate (Intermediate Modulus)
- HM – hochsteif (High Modulus)
- UM – (Ultra High Modulus)
- 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 Kohlenstoff abgespalten. Der Kohlenstoffanteil steigt mit zunehmender Carbonisierungstemperatur. Üblicherweise liegen die Carbonisierungstemperaturen im Bereich von 1300 - 1500 °C, wodurch der Kohlenstoffanteil auf 96 - 98 Gew.% 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 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 dem Herstellprozess.
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, besonders bekannt ist der Motorsport. Betrachtet man jedoch die gewichtsbezogenen Eigenschaften, so verschiebt sich das Verhältnis zugunsten der Kohlenstofffasern.
Hersteller
- Toray
- Hercules
- Celanese
- Hysol Grafil
- SGL CARBON AG
siehe auch: Leichtbau, Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), Glasfaser
Hallo Sepp