Carbon Fiber - Ein Wundermaterial für den Leichtbau und die Steigerung der Festigkeit!

Carbonfaser, oft als “Wundermaterial” bezeichnet, hat die Welt der Materialien revolutioniert. Seine einzigartige Kombination aus extremer Festigkeit, Leichtigkeit und Steifigkeit macht es zu einer bevorzugten Wahl in einer Vielzahl von Anwendungen, vom Flugzeugbau über den Motorsport bis hin zur Herstellung hochwertiger Sportgeräte. Doch was genau macht Carbonfaser so besonders?

Die Chemie hinter dem Kohlenstoff-Zauber

Carbonfaser besteht aus elementarem Kohlenstoff, der in einer stark geordneten, kristallinen Struktur angeordnet ist. Diese Fasern werden durch einen komplexen chemischen Prozess hergestellt, der die Verkohlung von organischen Vorläufermaterialien wie Polyacrylonitril (PAN) oder Pech beinhaltet.

Während der Verkohlung werden nicht-kohlenstoffhaltige Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff bei hohen Temperaturen in einem inerten Umfeld entfernt, wodurch ein Netzwerk aus stark aneinander gebundenen Kohlenstoffatomen entsteht. Diese Bindungen verleihen Carbonfasern ihre außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit.

Eigenschaften - Ein Überblick über die Vorteile

Carbonfaser zeichnet sich durch eine Reihe beeindruckender Eigenschaften aus:

• Hohe Festigkeit: Carbonfaser weist eine Zugfestigkeit von bis zu 4 GPa auf, was bedeutet, dass sie enorme Kräfte aufnehmen kann, bevor sie bricht.

• Leichtes Gewicht: Die Dichte von Carbonfaser beträgt etwa 1,7-2,0 g/cm³, was deutlich weniger ist als bei Stahl oder Aluminium. Dies macht Carbonfaser ideal für Anwendungen, bei denen ein geringes Gewicht entscheidend ist.

• Steifigkeit: Carbonfaser ist sehr steif, was bedeutet, dass sie sich unter Belastung nur minimal verformt.

• Korrosionsbeständigkeit: Carbonfaser ist nicht anfällig für Rost oder andere Korrosionstypen, was es zu einem langlebigen Material macht.

• Wärmeleitfähigkeit: Carbonfaser leitet Wärme effektiv, was es in Anwendungen nützlich machen kann, bei denen die Wärmeableitung wichtig ist.

Anwendungen – Von Flugzeugen bis zu Fahrrädern

Die vielseitigen Eigenschaften von Carbonfaser haben zu ihrer breiten Anwendung in vielen Branchen geführt:

• Luft- und Raumfahrt: Carbonfaser wird verwendet, um Flugzeugflügel, Rumpfstrukturen und andere Komponenten herzustellen. Die Gewichtsreduzierung durch den Einsatz von Carbonfaser trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen von Flugzeugen zu senken.

• Motorsport: In der Formel 1 und anderen Motorsportarten werden Carbonfaserkarosserien und -teile verwendet, um ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit zu erzielen.

• Sportgeräte: Carbonfaser wird für Fahrräder, Golfschläger, Tennisrackets und andere Sportgeräte eingesetzt. Die Leichtigkeit und Steifigkeit von Carbonfaser verbessern die Leistung und Handhabung dieser Geräte.

• Medizintechnik: Carbonfaser wird in Prothesen und anderen medizinischen Implantaten verwendet, da es biokompatibel ist und eine hohe Festigkeit bietet.

Herstellung – Ein komplexer Prozess

Die Herstellung von Carbonfasern ist ein komplexer mehrstufiger Prozess:

1. Vorläufermaterial: Zuerst wird ein organisches Polymer wie PAN oder Pech ausgewählt.

2. Spinnen: Das Polymer wird in dünne Fasern gesponnen, die dann zu Fäden verarbeitet werden.

3. Oxidieren: Die Fasern werden bei hohen Temperaturen in Luft oxidiert, um ihre Oberfläche zu modifizieren und sie für den nächsten Schritt vorzubereiten.

4. Verkohlen: Die oxidierten Fasern werden bei noch höheren Temperaturen (zwischen 1000°C und 3000°C) in einem inerten Umfeld (z. B. Stickstoff oder Argon) verkohlt.

Durch die Entfernung nicht-kohlenstoffhaltiger Elemente entsteht eine hochfeste Carbonfaser. 5. Oberflächenbehandlung: Die Carbonfasern können anschließend mit einer Oberflächenbehandlung versehen werden, um ihre Haftung an Harzen zu verbessern.

Zusammensetzung – Mehr als nur Kohlenstofffasern

Carbonfasern werden selten allein verwendet, sondern in Verbundwerkstoffen (Composites) eingebaut. Ein Composite besteht aus einer Matrix, die die Carbonfasern umschließt und bündelt.

Typische Matrizes sind Epoxide, Polyesterharze oder Thermoplaste. Die Auswahl der Matrix hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.

Zusammenfassende Tabelle:

Carbonfaser ist ein erstaunliches Material mit einem breiten Anwendungsspektrum. Seine Kombination aus Festigkeit, Leichtigkeit und Steifigkeit macht es zu einer idealen Wahl für viele moderne Anwendungen. Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung werden wir sicherlich noch mehr innovative Anwendungen für dieses vielseitige Wundermaterial sehen!