Kohlefaserverstärkte Kunststoffe: Evolution, Vorteile und Produktion

Kohlenstofffasern in Kunststoffmaterialien

Kohlenstofffasern sind seit über einem Jahrhundert integraler Bestandteil fortschrittlicher Verbundwerkstoffe. 1879 experimentierte Thomas Edison mit baumwollbasierten Fasern, die später die ersten Glühlampen antrieben und die früheste praktische Nutzung von Kohlenstoff markierten.

In den 1960ern pionierte Dr. Akio Shindo an Japans Agency of Industrial Science and Technology eine auf Polyacrylnitril (PAN) basierende Kohlenstofffaser mit 55 % elementarem Kohlenstoff. Der PAN-Weg dominierte schnell die Industrie und liefert heute rund 90 % aller Kohlenstofffasern, während die verbleibenden 10 % aus Rayon oder Petroleum-Pitch stammen. PAN-Fasern werden für ihr außergewöhnliches Festigkeits-Gewichts-Verhältnis geschätzt, das Hochleistungsverbundwerkstoffe ermöglicht, wenn sie mit Duroplast- oder Thermoplastmatrizen wie Polyester, Vinylester oder Nylon zu kohlefaserverstärkten Kunststoffen (C-FKV) kombiniert werden.

Kohlenstofffaserzugabe zu Polymeren – viele Vorteile

Die Integration von Kohlenstofffasern erhöht Zugfestigkeit, Biegemodul und Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT). Sie mindert auch Schwund und Verzug, was dimensionsstabilere Komponenten produziert.

Jede Faser ist ein schlanker Strang – 5–10 µm im Durchmesser – bestehend aus Tausenden Kohlenstofffilamenten. Mikroskopische graphenähnliche Kristalle richten sich parallel zur Faserachse aus, was Kohlenstoff seine bemerkenswerte Steifigkeit und Festigkeit verleiht.

Klassifizierung nach Zugmodul

Kohlenstofffasern werden nach Zugmodul kategorisiert, reichend von 34,8 MPa bis 145 MPa (ca. 34,8–145 Millionen psi). Zum Vergleich: Stahls Modul liegt bei ca. 29 MPa. Ultrahochmodul-Fasern (72,5–145 MPa) sind bis zu fünfmal stärker als Stahl.

Typische Klassifikationen – basierend auf aufsteigendem Zugmodul – sind: Niedrigmodul (< 34,8 MPa), Standardmodul, Intermediärmodul, Hochmodul und Ultrahochmodul. Jede Klasse bietet eine maßgeschneiderte Balance aus Festigkeit, Steifigkeit und Kosten für spezifische Engineering-Anforderungen.

Spinnen, Stabilisieren, Karbonisieren, Oberflächenbehandlung und Sizing

Die Produktion von Kohlenstofffasern verbindet Chemie mit mechanischer Präzision. Nachfolgend ein knapper Überblick über jede Stufe:

• Spinnen: PAN-Vorläufer wird zu Filamenten extrudiert, dann gewaschen und gestreckt, um die interne Struktur zu verfeinern und molekulare Ausrichtung zu fördern.
• Stabilisieren: Chemische Behandlung wandelt lineare Ketten in eine thermisch stabile Leiterstruktur um, gefolgt von Luftoxidation zur Vorbereitung der Fasern auf Hochtemperaturverarbeitung.
• Karbonisieren: Fasern durchlaufen Wärmebehandlung in inertem Atmosphäre, eliminieren Nicht-Kohlenstoffatome und bilden kristallinen Kohlenstoff.
• Oberflächenbehandlung: Nach Karbonisierung werden Fasern mild oxidiert oder Gasen/Flüssigkeiten ausgesetzt, um Adhäsion mit Polymermatrizen zu verbessern.
• Sizing: Eine Schutzbeschichtung wird aufgebracht, um Fasern während Wickeln oder Weben zu schützen und Handhabungseigenschaften zu verbessern.

Anwendungen reichen von Sportartikeln – wie Angelruten, Fahrrädern, Golfschlägern und Tennisschlägern – bis zu kritischen Infrastrukturkomponenten in Luft- und Raumfahrt, Automobil und Brückenbau.

* Zugmodul misst die Kraft, die eine Faser pro Flächeneinheit (psi) vor Versagen aushalten kann.

Fragen? Lassen Sie es uns im Kommentarbereich wissen.

Suchen Sie weitere Informationen zu Kunststoffen? Laden Sie unseren kostenlosen Leitfaden herunter!