Was ist Kohlefaser?

Kohlefaser ist ein leichtes, hochfestes Material, das die Industrie von der Luft- und Raumfahrt bis zur Sportausrüstung revolutioniert hat. Es besteht aus dünnen, starken kristallinen Kohlenstofffasern und ist für sein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, seine Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Dieses fortschrittliche Material ist zu einem Eckpfeiler der modernen Technik und des Designs geworden und ermöglicht die Herstellung von Produkten, die sowohl leichter als auch stabiler sind als solche aus herkömmlichen Materialien wie Stahl oder Aluminium.

Es wird in einem komplexen Herstellungsverfahren produziert, das mit einem Vorläufermaterial beginnt, normalerweise Polyacrylnitril (PAN) oder Pech. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Oxidation: Die Precursor-Fasern werden an der Luft bei hohen Temperaturen (200-300 °C) erhitzt, um sie zu stabilisieren.

Karbonisierung: Die stabilisierten Fasern werden dann in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen von bis zu 2.000 °C erhitzt. Bei diesem Prozess werden die Nicht-Kohlenstoff-Atome entfernt, so dass eine Faser zurückbleibt, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht.

Oberflächenbehandlung: Die Fasern werden behandelt, um die Bindung mit Harzen oder anderen Materialien zu verbessern.

Größenordnung: Die Fasern werden mit einer Schutzschicht überzogen, um Beschädigungen bei der Handhabung und Verarbeitung zu vermeiden.

Die dabei entstehenden Kohlenstofffasern sind extrem dünn, haben in der Regel einen Durchmesser von 5-10 Mikrometern und werden zu Strängen oder Garnen gebündelt. Diese Fäden können zu Geweben gewebt oder mit Harzen kombiniert werden, um Verbundwerkstoffe herzustellen.

Kohlefasern werden für ihre einzigartige Kombination von Eigenschaften geschätzt, darunter:

Hohe Festigkeit: Kohlefaser ist stärker als Stahl und gleichzeitig deutlich leichter.

Geringes Gewicht: Es ist etwa 70% leichter als Stahl und 40% leichter als Aluminium.

Steifheit: Es hat einen hohen Elastizitätsmodul, der es extrem steif macht.

Korrosionsbeständigkeit: Anders als Metalle rosten oder korrodieren Kohlefasern nicht.

Wärmeleitfähigkeit: Es kann hohen Temperaturen standhalten und hat eine geringe Wärmeausdehnung.

Ermüdungswiderstand: Es ist auch bei wiederholter Beanspruchung leistungsfähig und daher ideal für dynamische Anwendungen.

Kohlenstofffasern werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Einige häufige Anwendungen sind:

Luft- und Raumfahrt: Wird in Flugzeugkomponenten wie Flügeln, Rümpfen und Leitwerksteilen verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und die Treibstoffeffizienz zu verbessern.

Automobilindustrie: Wird in Hochleistungsautos, Elektrofahrzeugen und Rennwagen eingesetzt, um Geschwindigkeit und Effizienz zu steigern.

Sportgeräte: Wird in Fahrrädern, Tennisschlägern, Golfschlägern und Helmen verwendet, um Leistung und Haltbarkeit zu verbessern.

Erneuerbare Energien: Sie werden aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichts für die Rotorblätter von Windkraftanlagen verwendet.

Konstruktion: Verstärkt Konstruktionen wie Brücken und Gebäude und bietet zusätzliche Festigkeit ohne großes Gewicht.

Medizinische Geräte: Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Biokompatibilität wird es in der Prothetik, in bildgebenden Geräten und in chirurgischen Instrumenten verwendet.

Leichtgewicht: Verringert das Gesamtgewicht der Anwendungen, was zu einer höheren Effizienz führt.

Hohe Festigkeit: Bietet strukturelle Integrität ohne zusätzliche Masse.

Flexibilität bei der Gestaltung: Sie können zu komplexen Formen geformt und für spezifische Anwendungen zugeschnitten werden.

Langlebigkeit: Sie sind verschleiß-, korrosions- und ermüdungsbeständig und haben eine lange Lebensdauer.

Kosten: Es ist teuer in der Herstellung, so dass es für einige Anwendungen weniger zugänglich ist.

Zerbrechlichkeit: Es ist zwar robust, kann aber unter bestimmten Bedingungen zu Rissen neigen.

Leitfähigkeit: Seine elektrische Leitfähigkeit kann bei einigen Anwendungen ein Nachteil sein.

Recycling-Herausforderungen: Kohlefaserverbundwerkstoffe lassen sich nur schwer recyceln, was ein Problem für die Umwelt darstellt.