Arten von Kohlefasermaterialien und wie wird Kohlefaser hergestellt?
Carbonfaser ist ein langlebiges, steifes und leichtes Material aus Kohlenstofffasern, die erhitzt und zu langen, dünnen Strängen gedehnt und anschließend zu einem Gewebe verwebt oder geflochten werden. Aufgrund seiner Kombination aus Festigkeit und Leichtigkeit findet Carbonfaser breite Anwendung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt, der Automobilindustrie und der Sportartikelindustrie.
Was ist Kohlefaser?
Kohlenstofffasern, auch CF- oder Graphitfasern genannt, haben einen Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern (0.00020–0.00039 Zoll) und bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen. Mit einer fünfmal höheren Festigkeit als Stahl und einer doppelt so hohen Steifigkeit bieten Kohlenstofffasern zahlreiche Vorteile wie hohe Steifigkeit, Zugfestigkeit, ein gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, chemische Beständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Wärmeausdehnung. Aufgrund dieser außergewöhnlichen Eigenschaften werden Kohlenstofffasern häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen, beim Militär, im Rennsport und in anderen Wettkampfsportarten eingesetzt. Diese Vorteile sind jedoch im Vergleich zu anderen Fasern, einschließlich Glas-, Basalt- oder Kunststofffasern, mit höheren Kosten verbunden.
Kohlenstofffasern entstehen durch die Bindung von Kohlenstoffatomen in Kristallen, die parallel zur Faserlänge ausgerichtet sind. Dies führt zu einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Volumen. Sie können einzeln verwendet oder zu einem Gewebe verwebt werden. Es stehen verschiedene Webarten zur Verfügung, darunter Leinwandbindung und Köperbindung.
Kohlenstofffasern werden häufig mit anderen Materialien wie Graphit kombiniert, um verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe mit außergewöhnlicher Hitzebeständigkeit herzustellen. Sie werden oft mit einem Kunststoffharz vermischt und gebrannt, um ein kohlenstofffaserverstärktes Polymer, die sogenannte Carbonfaser, zu erzeugen. Dieses weist ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf und ist unglaublich steif, aber leicht spröde.
Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe finden in zahlreichen Anwendungen Anwendung, unter anderem bei der Herstellung von Flugzeug- und Raumfahrzeugteilen, Karosserien für Rennwagen, Golfschlägerschäften, Fahrradrahmen, Angelruten, Fahrzeugfedern, Segelbootmasten und anderen Komponenten, bei denen sowohl geringes Gewicht als auch hohe Festigkeit erforderlich sind.
Eigenschaften von Kohlefaser
Kohlefaser ist in vielen Anwendungsbereichen eine überlegene und langlebigere Alternative zu verschiedenen Metallen. Ihre außergewöhnlichen Eigenschaften machen sie ideal für den Einsatz in der Bauindustrie, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in Spezialindustrien. Lassen Sie uns diese bemerkenswerten Eigenschaften nun genauer betrachten.
Elektrisch leitfähige
Kohlefaserfilamente sind für ihre elektrische Leitfähigkeit bekannt und werden häufig beispielsweise zum Schutz vor Blitzeinschlägen eingesetzt. Diese Leitfähigkeit kann jedoch zu galvanischer Korrosion in Armaturen führen, die durch geeignete Installationsmethoden verringert werden kann.
Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Eines der charakteristischsten Merkmale von Kohlefaser ist ihr beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Kohlefaser ist bekannt für ihre unglaubliche Festigkeit, Steifigkeit und ihr geringes Gewicht. Tatsächlich wird ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von Materialien angenommen, die sowohl fest als auch leicht sind. Weitere Materialien mit hohem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sind Aluminium, Titan, Magnesium, Kohle- und Glasfaser sowie hochfeste Stahllegierungen.
Korrosionsbeständig und chemisch stabil
Obwohl Kohlefaser langlebig ist, ist es wichtig, sich der möglichen Schäden durch Sonnenlicht an dem in ihren Verbundwerkstoffen häufig verwendeten Epoxidmaterial bewusst zu sein. Darüber hinaus können auch andere Matrizen, die Kohlefaser enthalten, reaktiv sein.
Ermüdungsbeständigkeit
Kohlefaser weist im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen wie Glasfaser eine höhere Ermüdungsbeständigkeit und Schadenstoleranz auf. Bei zunehmenden Spannungszyklen nimmt die Steifigkeit des Materials ab, was zu Zugermüdungsschäden führt. Bemerkenswert ist außerdem, dass ein Versagen ausgeschlossen ist, wenn die zyklischen Spannungen mit der Faserausrichtung übereinstimmen.
Starr oder steif
Die Festigkeit oder Steifigkeit eines Materials lässt sich anhand seines Elastizitätsmoduls messen. Dieser gibt an, wie stark es sich unter Belastung verformt. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist über viermal steifer als glasfaserverstärkter Kunststoff, 4-mal steifer als Kiefernholz und 20-mal steifer als Aluminium.
Spröde
Die Schichten in der Faser entstehen durch starke kovalente Bindungen. Diese schichtartigen Ansammlungen ermöglichen die Ausbreitung von Rissen, und wenn die Fasern gebogen werden, versagen sie bereits bei geringer Belastung.
Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit der Kohlefaser ist aufgrund interner Fehler nicht immer konstant, was zu unterschiedlichen Spannungsniveaus führt, die zum Versagen führen. Schon geringe Dehnungen können zu Materialversagen führen.
Ungiftig und röntgendurchlässig
Kohlefaserverbundwerkstoffe sind ungiftig und röntgendurchlässig, weshalb sie sich ideal für medizinische Zwecke wie Prothesen, Implantate, Sehnenreparatur, Röntgenzubehör, chirurgische Instrumente und mehr eignen.
Geringe Wärmeausdehnung
Die geringe Wärmeausdehnung von Kohlefaser ist ideal für Situationen, in denen präzise Dimensionsstabilität erforderlich ist, da Kohlefaser im Vergleich zu Metallen nur minimale Größenänderungen durch Temperaturschwankungen erfährt. Dies macht sie zur ersten Wahl für Branchen, in denen Genauigkeit und Präzision wichtig sind.
Nicht brennbar
Ein Beispiel für die Integration von Kohlefasern in Feuerwehrschutzkleidung ist die Verwendung von nickelbeschichteten Fasern. Aufgrund ihrer chemischen Inertheit eignen sie sich für den Einsatz in Situationen mit Feuer und korrosiven Stoffen.
Wie wird Kohlefaser hergestellt?
Der Herstellungsprozess von Carbonfasern umfasst sowohl chemische als auch mechanische Verfahren. Hier finden Sie eine umfassende Erklärung des Produktionsprozesses für Carbonfasern:
Schritt 1: Vorbereitung der Rohstoffe oder Vorläufer
Für die Herstellung von Kohlenstofffasern ist die Verwendung eines organischen Polymervorläufers unerlässlich. Dieser Vorläufer ist der Rohstoff für die Herstellung von Kohlenstofffasern. Etwa 90 % des Vorläufers bestehen aus Polyacrylnitril (PAN). Die restlichen 10 % bestehen aus Rohstoffen wie Viskose oder Petroleumpech. Diese organischen Polymere bestehen aus langen, durch Kohlenstoffatome verbundenen Molekülketten.
Schritt 2: Stabilisierung und Karbonisierung der Fasern
Vor dem Karbonisierungsprozess wird der Vorläufer in lange Fasern umgewandelt. Diese Umwandlung beinhaltet eine chemische Veränderung der Atombindung der Fasern, um sie in einer Leiterstruktur thermisch stabiler zu machen. Die Fasern werden 390–590 Minuten lang in Luft auf 200–300 °C erhitzt. Dies fördert die Aufnahme von Sauerstoffmolekülen aus der Luft und verändert anschließend das Atombindungsmuster.
Nach der Stabilisierung werden die Fasern in einem sauerstofffreien Ofen einige Minuten lang sehr hohen Temperaturen (1,830–5,500 °F bzw. 1,000–3,000 °C) ausgesetzt. Dies verhindert ein Verbrennen der Fasern, da hohe Temperaturen Nicht-Kohlenstoffatome aus den Fasern entfernen können. Dadurch bilden sich fest verbundene Kohlenstoffkristalle, die sich parallel zur Längsachse der Faser ausrichten.
Schritt 3: Behandlung der Faseroberfläche
Nach dem Karbonisierungsprozess fehlt der Faseroberfläche die richtige Bindung mit den Epoxidharzen und anderen Substanzen der Verbundwerkstoffe. Um dieses Problem zu beheben, wird die Faseroberfläche oxidiert, was zu besseren Bindungseigenschaften führt. Die Zugabe von Sauerstoffatomen verbessert nicht nur die chemische Bindung, sondern ätzt und raut die Oberfläche auch auf, um die mechanische Bindung zu verbessern.
Um die Fasern zu verändern, können sie verschiedenen Gasen und Flüssigkeiten ausgesetzt werden, darunter Luft, Kohlendioxid, Ozon, Natriumhypochlorit und Salpetersäure. Eine andere Methode besteht darin, sie elektrostatisch zu beschichten, indem man sie in ein Bad mit verschiedenen leitfähigen Substanzen legt und sie zum Pluspol macht.
Schritt 4: Dimensionierung der Fasern
Nach Abschluss der Oberflächenbehandlung werden die Fasern mit Schutzmaterialien beschichtet, um sie vor Beschädigungen beim Wickeln oder Weben zu schützen. Bei diesem als Leimen bezeichneten Prozess werden Beschichtungsmaterialien ausgewählt, die für den bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendeten Klebstoff geeignet sind. Die am häufigsten verwendeten Beschichtungsmaterialien bestehen aus verschiedenen Substanzen wie Epoxid, Polyester, Nylon, Urethan und weiteren.
Nach der Beschichtung werden die Fasern auf Spulen gewickelt und anschließend in eine Spinnmaschine gegeben. Dort werden sie verzwirnt, um Garne unterschiedlicher Stärke zu bilden. Dieser Prozess nutzt wissenschaftliche Methoden, um hochwertige, professionelle Garne herzustellen. Die resultierenden Garne sind dann für eine Vielzahl von Anwendungen bereit.
Kurze Geschichte und Hintergrund der Kohlefaser
Im 1800. Jahrhundert nutzten verschiedene Erfinder erfolgreich Kohlenstofffasern zur Herstellung von Glühbirnen, darunter Joseph Swan und Thomas Edison. Mithilfe von Hochtemperatur-Backverfahren gelang es ihnen, einen Glühfaden aus reinem Kohlenstoff herzustellen, der dann elektrisch erhitzt wurde, um helles Licht zu erzeugen. Bald darauf verbesserte Lewis Latimer dieses Konzept und produzierte einen zuverlässigen Kohlenstoffdraht-Glühfaden, der in den ersten Glühlampen Verwendung fand.
1958 entdeckte Roger Bacon im Union Carbide Parma Technical Center in Cleveland, Ohio, Hochleistungs-Kohlenstofffasern. Diese Fasern werden durch Erhitzen von Viskosefasern bis zur Karbonisierung hergestellt. Die spröde Beschaffenheit von Kohlenstofffasern schränkte zunächst ihre Verwendung ein, doch Fortschritte in der Herstellung haben ihre Wirksamkeit deutlich erhöht. Mit einer Zugfestigkeit von 4,000 MPa und einem Elastizitätsmodul von 400 GPa werden Kohlenstofffasern heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Arten von Kohlefasern
Kohlenstofffasern können anhand der Art der verwendeten Rohstoffe, ihrer mechanischen Eigenschaften und der endgültigen Wärmebehandlungstemperatur kategorisiert werden.
Typen basierend auf Rohstoffen
Es gibt zwei Kategorien von Kohlenstofffasern, die nach den verwendeten Rohstoffen klassifiziert werden.
Pechbasierte Kohlefaser
Pechbasierte Kohlenstofffasern sind ein einzigartiger Fasertyp, der durch Karbonisierung von Öl- oder Kohlepechvorläufern entsteht. Diese besondere Faser zeichnet sich durch vielfältige Eigenschaften aus, die von niedrigem bis zu ultrahohem Elastizitätsmodul reichen. Diese Fasern, bekannt für ihre außergewöhnliche Steifigkeit, werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe thermische oder elektrische Leitfähigkeit erfordern.
PAN-basierte Kohlefaser
PAN-basierte Kohlenstofffasern werden durch Karbonisierung von PAN-Vorläufern (Polyacrylnitril) hergestellt und verfügen über eine außergewöhnliche Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul. Daher sind sie eine beliebte Wahl für Strukturwerkstoffverbunde in der Luft- und Raumfahrt, der Industrie sowie im Sport- und Freizeitbereich.
Typen basierend auf mechanischen Eigenschaften
Typ mit ultrahohem Elastizitätsmodul (UHM)
Der UHM-Typ, auch als ultrahochelastische Faser bekannt, weist einen Zugelastizitätsmodul von mindestens 600 GPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 2,500 MPa auf. Diese ultrahochelastische Kohlefaser wird ausschließlich in modernsten technischen Anwendungen wie Satelliten, Drohnen und Wettkampfsportgeräten eingesetzt, bei denen eine außergewöhnliche Steifigkeit pro Gewichtseinheit unerlässlich ist.
Typ mit niedrigem Elastizitätsmodul (LM)
Der LM-Typ hat einen Elastizitätsmodul unter 200 GPa und eine Zugfestigkeit unter 3,500 MPa, wodurch er für verschiedene Anwendungen geeignet ist.
Mittlerer Elastizitätsmodul-Typ (IM)
IM ist ein Werkstoff mit mittlerem Elastizitätsmodul, dessen Zugelastizitätsmodul zwischen 280 und 350 GPa liegt und dessen Zugfestigkeit mindestens 3,500 MPa beträgt. Er wird häufig in Branchen eingesetzt, die hohe Leistung erfordern, darunter die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Herstellung von Sportgeräten.
Typ mit hohem Elastizitätsmodul (HM)
Der Typ mit hohem Elastizitätsmodul (HM) zeichnet sich durch einen Zugelastizitätsmodul von 350 bis 600 GPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 2,500 MPa aus. Dieser Carbonfasertyp, der häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und bei modernen Sportartikeln eingesetzt wird, ermöglicht die Herstellung leichter Komponenten bei gleichbleibender Festigkeit.
Standard-Elastizitätsmodul-Typ (HT)
Der allgemein bekannte HT-Elastizitätsmodul, auch Standardtyp genannt, ist Gegenstand der Diskussion. Er hat einen Zugelastizitätsmodulbereich von 200–280 GPa und eine geschätzte Mindestzugfestigkeit von 2,500 MPa. Dieses Material eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Automobilkomponenten, Sportgeräte, Windkraftanlagen und Flugzeugstrukturen.
Typen basierend auf der endgültigen Wärmebehandlungstemperatur
Hinsichtlich der endgültigen Wärmebehandlungstemperatur werden Kohlenstofffasern wie folgt kategorisiert:
Niedrigwärmebehandelte Kohlenstofffasern (LHT)
LHT-Kohlenstofffasern werden einem Niedrigtemperaturbehandlungsprozess mit einer Höchsttemperatur von 1000 °C unterzogen, was zu einem niedrigeren Modul und einer geringeren Festigkeit führt.
Zwischenwärmebehandelte Kohlenstofffasern (IHT)
IHT-Kohlenstofffasern werden einer abschließenden Wärmebehandlung bei mindestens 1500 °C unterzogen, wodurch sie für ihre Festigkeit und Haltbarkeit bekannt sind. Diese Fasern werden häufig in hochfesten Anwendungen eingesetzt.
Hochwärmebehandelte Kohlenstofffasern (HTT)
Bei der Diskussion von Fasern mit hohem Modul ist es wichtig zu beachten, dass hochwärmebehandelte Kohlenstofffasern (HTT) einer abschließenden Wärmebehandlungstemperatur von über 2000 °C unterzogen werden müssen.
Arten von Kohlenstofffasergeweben
Bei Kohlefasern stehen verschiedene Webarten zur Auswahl, beispielsweise Köper, Satin und Leinwand. Diese Webarten werden häufig für Kohlefasergewebe verwendet.
Satinbindung
Die Atlasbindung wurde im Laufe der Geschichte zur Herstellung von Seidenstoffen mit hervorragender Drapierbarkeit und makelloser, nahtloser Optik verwendet. Dank ihrer hohen Formbarkeit lassen sich Verbundstoffe leicht an komplexe Formen anpassen und umhüllen. Aufgrund ihrer Biegsamkeit mangelt es diesem Gewebe jedoch an Stabilität. Die in der Textilproduktion am häufigsten verwendeten Atlasbindungen sind 4-Schnall-Satin (4HS), 5-Schnall-Satin (5HS) und 8-Schnall-Satin (8HS). Mit zunehmender Anzahl von Atlasbindungen steigt auch die Formbarkeit, jedoch auf Kosten der Stoffstabilität.
Köperbindung
Die Köperbindung bietet eine höhere Biegsamkeit und passt sich komplexen Konturen an. Daher ist sie in Bezug auf die Gewebestabilität der Atlasbindung überlegen. Die Leistung der Leinwandbindung ist jedoch nicht vergleichbar. Bei der Köperbindung verläuft jeder Strang abwechselnd über und unter einer festgelegten Anzahl von Strängen, wodurch ein charakteristisches diagonales Pfeilmuster entsteht, das als „Köperlinie“ bezeichnet wird.
Leinwandbindung
Die Leinwandbindung der Carbonfaserplatte hat ein symmetrisches Erscheinungsbild mit einem kleinen Schachbrettmuster. Die Fasern sind in einem Über-/Untermuster miteinander verflochten, was wesentlich zur Stabilität der Platte beiträgt. Gewebestabilität wird definiert als die Fähigkeit eines Gewebes, seinen Webwinkel und seine Faserausrichtung beizubehalten. Der geringe Abstand zwischen den Verflechtungen in der Leinwandbindung verleiht ihr hohe Stabilität. Diese Bindung eignet sich am besten für einfachere Formen wie zweidimensionale Kurven, Rohre und flache Platten, da sie für komplexe Konturen nicht so flexibel ist wie andere Bindungen.
Anwendungen von Kohlefaser
Carbonfasern bieten einzigartige Vorteile und sind daher ein gefragtes Material für innovative Anwendungen in verschiedenen Branchen. Entdecken Sie die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in dieser umfassenden Übersicht.
Automobilindustrie Angesichts sinkender Kosten wird Kohlefaser in Premium- und Rennfahrzeugen immer häufiger eingesetzt, um Gewicht zu sparen und gleichzeitig Festigkeit und Steifigkeit zu erhalten. Zu den Anwendungsgebieten zählen Karosserieteile, Motorhauben, Dächer, Spoiler und Strukturbauteile. Kohlefaser kann zudem zu einem verbesserten Kraftstoffverbrauch und Handling beitragen. Formel-1-Rennwagen sind stark auf Kohlefasermaterialien angewiesen.
Luft- und Raumfahrt – Kohlefaser wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer Steifigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig eingesetzt. Sie findet sich häufig in Flugzeugkomponenten wie Rümpfen, Tragflächen, Hubschrauberblättern, Raketengehäusen und Nutzlastverkleidungen. Der Einsatz von Kohlefaser in Flugzeugen kann das Gewicht um bis zu 20 % reduzieren und ist daher ein wertvolles Material. Ein Nachteil ist jedoch das Risiko kaum sichtbarer Aufprallschäden (BVID) und deren Auswirkungen auf die Bauteilsicherheit. Diese sind schwer zu erkennen und erfordern umfangreiche Schulungen und Tests.
Tiefbau Als Bewehrung können Carbonfaserstäbe und -kabel Betonkonstruktionen effektiv verstärken und die herkömmliche Stahlbewehrung durch eine leichtere Alternative ersetzen. Dies führt zu einer höheren Zugfestigkeit und einem geringeren Gewicht der Gesamtkonstruktion. Darüber hinaus können Carbonfaserummantelungen und -laminate zur Verstärkung von Strukturelementen wie Säulen und Brücken eingesetzt werden.
Militär – Kohlefaser wird seit langem für die Beleuchtung von Marineschiffen eingesetzt und ist mittlerweile ein vielseitiges Material für verschiedene militärische Anwendungen wie Raketen, Drohnen, Helme und Zeltpfosten. Seine Festigkeit und sein geringes Gewicht machen es zu einem wertvollen Material für das Militär, da es den Transport erleichtert und erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht.
Sportgeräte – Carbonfaser ist ein Material, das aufgrund seines geringen Gewichts und seiner leistungssteigernden Eigenschaften bei hochwertigen Fahrrädern immer beliebter wird. Es wird auch häufig für andere Sportgeräte wie Golfschlägerschäfte, Tennisschläger und Hockeyschläger verwendet. Darüber hinaus wird Carbonfaser auch für verschiedene Produkte wie Schutzhelme, Kleidung und Schutzausrüstung verwendet. Carbonfaser ist ein vielseitiges Material für vielfältige Zwecke, unter anderem im Rennsport, wo es häufig für Helme und Schuhe verwendet wird.
Medizintechnik Die Biokompatibilität und Festigkeit von Kohlefasern haben zu ihrer Verwendung in orthopädischen Implantaten, Prothesen und MRT-Geräten geführt. Durch die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren können Präzisionsteile wie Knochenplatten hergestellt werden, wobei die Transparenz in Röntgenbildern erhalten bleibt. Darüber hinaus bieten Kohlefaserprothesen eine Kombination aus Haltbarkeit, Leichtigkeit und Komfort.
Consumer Elektronik – Kohlefaser wird häufig in hochwertiger Unterhaltungselektronik wie Laptops, Handys, Tablets, Stativen und Kopfhörern verwendet, um die Haltbarkeit zu verbessern und das Gewicht zu reduzieren. Der Einsatz von Kohlefasergehäusen und Strukturkomponenten erhöht die Festigkeit und verbessert die Wärmeableitung. Seine einzigartigen Eigenschaften machen es zudem zu einem wertvollen Material für Produkte, die elektromagnetische Transparenz erfordern.
Zusammenfassung
Kohlefaser besteht aus eng verbundenen Kohlenstoffsträngen, die eine hochbelastbare, unglaublich starke und extrem leichte Substanz bilden. Ihr hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, ihre Steifigkeit und ihre Hitzebeständigkeit machen sie zur perfekten Wahl für Branchen, in denen Leichtigkeit und Festigkeit gleichermaßen gefragt sind, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Medizin, Bauwesen, Sport, Marine und Militär. Dieses spezielle Material ermöglicht komplexe Formgebung und präzises Design zur Maximierung der Festigkeit. Letztlich bietet es einen entscheidenden Vorteil durch die deutliche Gewichtsreduzierung ohne Kompromisse bei der Haltbarkeit.
