Was sind CFK-Rohre?
CFK-Rohre sind Rohre aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. CFK ist die Abkürzung für Fibre Reinforced Plastics (faserverstärkte Kunststoffe). Das Harz ist mit Kohlenstofffasern verstärkt und hat eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen unelastischen Modul.
Daher werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe in der Raumfahrt und für Flugzeugteile verwendet.
Andere Arten von verstärkten Kunststoffen sind FRP (Fibre Reinforced Plastics) und GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics), die je nach Zusammensetzung und Gehalt der Kohlenstofffasern unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben.
- FRP
FRP ist ein Verbundwerkstoff, bei dem die Festigkeit durch Zugabe von Glasfasern mit hohem Elastizitätsmodul zu einem Kunststoff mit niedrigem Elastizitätsmodul erhöht wird. - GFRP
GFRP ist ein Verbundwerkstoff, der durch Verfestigung von Glasfasern mit Harzen wie Vinylester oder Epoxid hergestellt wird. Es wird zu einem niedrigeren Preis als andere verstärkte Kunststoffe verkauft.
Anwendungen von CFK-Rohren
CFK-Rohre werden für Antennen, Zäune, Pfosten, Schächte, Angelruten und Rohre für Beinprothesen verwendet.
CFK hat im Allgemeinen einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 3 ppm.
Aus diesem Grund wird es in astronomischen Teleskopen und Prüfvorrichtungsrahmen verwendet.
Außerdem verfügt es über ausgezeichnete schwingungsdämpfende Eigenschaften und hat eine etwa fünfmal höhere spezifische Steifigkeit als Stahl. Zu den Produkten, bei denen diese Vorteile zum Tragen kommen, gehören LCD-Panel-Übertragungshände und Parallel-Link-Roboter.
Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, die von 2 bis 300 W-m/°C reicht, wird es auch in Batteriegehäusen für künstliche Satelliten verwendet.
Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner unmagnetischen, korrosionsbeständigen und leitfähigen Eigenschaften für die Verwendung in Gehäusen von Linearmotoren, seismischen Verstärkungen, Industrietanks und antistatischen Komponenten.
Funktionsweise von CFK-Rohren
CFK-Rohre werden nach zwei Hauptverfahren hergestellt: Filament Winding (FW) und Sheet Winding (SW).
- Was ist FW?
Beim FW-Verfahren werden Rovings (Bündel von Kohlenstofffasern) mit flüssigem Harz imprägniert und um einen rotierenden Dorn (Form) gewickelt. - Was ist SW?
Bei der SW-Methode wird ein Prepreg (eine mit Harz imprägnierte Kohlenstofffaserplatte) um einen Dorn gewickelt, der dann mit wärmeschrumpfendem Klebeband umwickelt wird, bevor er in einem Ofen oder ähnlichem erhitzt und ausgehärtet wird.
CFK hat im Allgemeinen nicht die gleichen Standardprodukteigenschaften und -funktionen wie FRP.
Daher gibt es keine Standardprodukte für CFK-Materialien und die Materialien werden je nach Design und Herstellung verwendet, um die Leistung und Funktion der Kohlenstofffasern zu nutzen.
Damit unterscheidet sich CFK von Metallen und Kunststoffen, bei denen das Materialdesign bei der Herstellung von Produkten entscheidend ist.
Darüber hinaus wird für CFK hauptsächlich die spiegelsymmetrische Stapelung als grundlegende Stapelmethode verwendet. Diese Art der Laminierung verhindert thermische Verformungen beim Abkühlen nach dem Aushärten.
CFK-Rohre werden in jeder Höhen- und Breitenrichtung mit Bezug auf die Mitte des Rohrquerschnitts ausgerichtet.
Arten von CFK
CFK ist ein Produkt aus mit Harz vergossenen Kohlenstofffasern, das je nach Harzbasis in zwei Arten unterteilt werden kann: duroplastische CFK (CFRTS) und thermoplastische CFK (CFRTP).
- Duroplastisches CFK
Duroplastische CFK werden hergestellt, indem eine mit Epoxidharz imprägnierte Kohlenstofffaserplatte (Prepreg) auf die gewünschte Größe gebracht, durch Erhitzen ausgehärtet, die Kohlenstofffasern in eine versiegelte Form gelegt und das Epoxidharz eingegossen wird. Diese Methode wird als RTM (Resin Transfer Moulding) bezeichnet. - Thermoplastisches CFK
Thermoplastisches CFK verwendet Polypropylen oder ähnliche Materialien als Grundstoff und wird durch Erhitzen des Prepregs, Erweichen und Pressen hergestellt. Als alternative Methode kann auch das Spritzgießen verwendet werden.
Da die Massenproduktion kurze Formgebungszeiten erfordert, wird die Technologie sowohl für duroplastische als auch für thermoplastische CFK entwickelt.
Neben den oben genannten werden auch viele andere Arten von Basismaterialien für CFK in Betracht gezogen.
Zu den thermoplastischen Harzen gehören beispielsweise Acrylharz (PMMA), 6-Nylon (PA6), Polyamid (PA66), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK), während Epoxidharz (EP) zu den duroplastischen Harzen gehört. Zu den duroplastischen Harzen gehören Epoxidharze (EP).
Eigenschaften von CFRP
CFRP hat viele Eigenschaften. So verfügt es beispielsweise über eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Abriebfestigkeit und Hitzebeständigkeit sowie einen hohen spezifischen Modul und eine hohe spezifische Festigkeit. Außerdem ist CFK ein sehr leichtes Material.
Im Vergleich zu anderen Werkstoffen haben herkömmliche Kunststoffe ein spezifisches Gewicht von etwa 1,0 g/cm³, Aluminium etwa 2,8 g/cm³, Titan etwa 4,5 g/cm³ und Eisen etwa 7,8 g/cm³.
CFK hingegen wiegt etwa 1,8 g/cm³. Es liegt damit ungefähr in der Mitte zwischen den Massenkunststoffen und Aluminium.
Diese Eigenschaften werden daher nicht nur in der Weltraumforschung und Luftfahrt, sondern auch in Sport- und Transportgeräten genutzt.
CFK wird auch in Röntgengeräten verwendet, wo es aufgrund seiner hohen Röntgendurchlässigkeit das traditionell verwendete Aluminium ablöst.