Was ist eine Kohlenstofffaser?
Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern oder Kohlefasern genannt, sind Fasern, die vollständig aus Kohlenstoff (C) bestehen.
Es gibt zwei Arten von Kohlenstofffasern, Kohlenstofffasern auf PAN-Basis und Kohlenstofffasern auf Pech-Basis, die die Eigenschaften von Kohlenstoff aufweisen, wie z. B. eine hervorragende Wärmebeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Kohlenstofffasern haben viele Vorteile, z. B. sind sie leicht, stark und hart und werden daher in vielen Bereichen eingesetzt.
Allerdings gibt es viele Bereiche, in denen sie derzeit aus Preisgründen nicht eingesetzt werden können.
Anwendungen von Kohlenstofffasern
Kohlenstofffasern werden in einer Vielzahl von Bereichen als Alternative zu metallischen Werkstoffen eingesetzt, wobei sie ihre leichten Eigenschaften bei gleichzeitiger Festigkeit optimal nutzen. Ihre Flexibilität, elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schwerentflammbarkeit bieten ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten.
Sie werden nur selten allein verwendet, sondern in der Regel im Verbund mit Materialien wie Harzen, Keramiken und Metallen zu Kohlenstofffasern zusammengesetzt. Sie werden in Bereichen wie Flugzeugen, Raketen und Satelliten eingesetzt, wo Gewichtsreduzierung und hohe Festigkeit erforderlich sind, und finden auch in medizinischen Geräten wie Prothesen, Rollstühlen und Pflegebetten Verwendung.
Vor allem in der Automobilindustrie spielen Kohlenstofffasern eine wichtige Rolle, da die Verringerung des Fahrzeuggewichts zu einer verbesserten Kraftstoffeffizienz führt. Aus diesem Grund werden Kohlenstofffasern in einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt, vom Rennwagen bis zum normalen Pkw. Aufgrund ihrer Festigkeit und Elastizität werden sie auch in Sportgeräten wie Golfschlägern, Angelruten, Fahrradrahmen, Tennisschlägern, Skiern und Snowboards verwendet.
In Zukunft könnten Kohlenstofffasern auch in der Architektur und im Bauwesen eingesetzt werden, um die Erdbebensicherheit zu verbessern, indem sie auf Betonstrukturen aufgebracht werden, oder als alternative Materialien für Hängebrückenseile und Stahlrahmen.
Arten von Kohlenstofffasern
Es gibt zwei Arten von Kohlenstofffasern, je nach verwendetem Rohmaterial.
1. PAN-basierte Kohlenstofffasern
Kohlenstofffasern, die aus karbonisierten Polyacrylnitrilfasern (PAN) hergestellt werden, werden in vielen Industriezweigen verwendet und sind in den bekannten Freizeit- und Sportanwendungen weit verbreitet.
Kohlenstofffasern auf PAN-Basis haben Filamente (Einzelfäden) mit einem Durchmesser von 5-15 µm und werden in Bündeln verwendet. Der normale Werg-Typ hat 30 000 Filamente und der große Werg-Typ hat 48 000 Filamente.
2. Kohlenstofffasern auf Pechbasis
Kohlenstofffasern auf Pechbasis werden aus schwarzen Feststoffen (Pech) hergestellt, die bei der Destillation von Rohöl gewonnen werden, wobei die flüchtigen Bestandteile entfernt werden. Es hat die Eigenschaft, dass der Elastizitätsmodul eingestellt werden kann und wird für Produkte verwendet, bei denen keine hohe Elastizität erforderlich ist oder umgekehrt, wenn eine hohe Elastizität erforderlich ist.
Kohlenstofffasern auf Pechbasis haben ebenfalls einen Einzelfaserdurchmesser von 10-15 µm und werden in Mesophasen-Pechfasern und isotrope Pechfasern unterteilt. Isotrope Pechfasern zeichnen sich durch eine hohe Hitzebeständigkeit und einen hohen Reibungswiderstand aus, was sie für Autobremsbeläge interessant macht. Mesophase-Pech-Fasern zeichnen sich durch eine kurze Konvergenzzeit der Schwingungen aus.
Die Eigenschaften von Mesophasen-Pechfasern sind von großem Nutzen bei Schwingungsproblemen in Maschinen, insbesondere in Halbleiter- und LCD-Fertigungsanlagen, die nicht schwingungsanfällig sind und daher in sehr großen Stückzahlen eingesetzt werden.
Weitere Informationen zu Kohlenstofffasern
Methoden zur Herstellung von Kohlenstofffasern
1. PAN-basierte Kohlenstofffasern
Während des Flammschutzverfahrens werden die PAN-Fasern bei Temperaturen von 200-300 °C oxidiert, wodurch die Moleküle in eine zyklische Struktur umgewandelt werden. Bei der anschließenden Karbonisierung wird die Molekularstruktur durch Hitzeeinwirkung bei Temperaturen von über 1000 °C in einer Inertgasumgebung in eine Kohlenstoffkristallstruktur umgewandelt.
Nach Abschluss der Karbonisierung entstehen noch Kohlenstofffasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, während bei der Graphitierung bei Temperaturen von 2000 °C oder mehr Graphitfasern mit etwas geringerer Festigkeit, aber sehr hohem Elastizitätsmodul entstehen.
2. Kohlenstofffasern auf Pechbasis
Hergestellt durch Auffaserung und Sinterung von Steinkohlenpech oder Petroleumpech. Aus dem Pech werden in einem Schmelzspinnverfahren vor der Flammfestmachung lange Fasern geformt, die anschließend stabilisiert werden, um Vorläuferfasern zu erhalten.
Ähnlich wie bei Kohlenstofffasern auf PAN-Basis werden die Pechfasern einem Flammschutz-, Karbonisierungs- und Graphitisierungsprozess unterzogen, um Kohlenstofffasern auf Pechbasis zu erhalten.