Carbonfaser Technik

Allgemeines zu Carbon

Carbon oder auch Kohlenstoff genannt, ist mittlerweile das bedeutendste Substitutionsmaterial bei der Herstellung von hochfesten Leichtbauteilen. Heute werden Carbonfasern und carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) für industrielle Zwecke in Fahrzeugen, Windrädern und im Rennsport eingesetzt. Vor etwa 20 Jahren war Carbon nur aus Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und dem Militär bekannt.  Dieser moderne Konstruktionswerkstoff in Kombination mit Matrixsystemen (Harzen) als Verbundwerkstoff,  eröffnet daher völlig neue und innovative technische Möglichkeiten.

Gewichtsvergleich

Jedes Gramm zählt. Carbonfaser ist ca. 80% leichter als Stahl und wiegt nur die Hälfte von Aluminium bei mindestens doppelter Festigkeit und Steifigkeit. Die Carbonfaser hat somit ein überlegendes Verhältnis von Leistungsfähigkeit zu Gewicht.
Carbonfasern haben eine Dichte von 1,8 g/cm³ und sind im Vergleich zu Stahl mit 7,8 g/cm³ um ca. 80% leichter. Carbonfaser sind somit ein überragender Werkstoff für den effizienten Leichtbau.

500g Standard Lagerbock

500g Standard Lagerbock (Quelle: Google Bilder)

48g Carbonfaser Gabel Lagerbock

48g Carbonfaser Gabel Lagerbock

Carbonfasern

Unter Carbonfaser versteht man eine Bündelung sehr vielen Fasern zu einem Carbonfaserkabel.  Jede einzelne Faser hat einen typischen Durchmesser von 7µm. Diese Bündelung erfolgt bereits bei der Herstellung der Fasern. Die Faserzahl reicht von 1.000 bis 320.000 Einzelfilamenten (1K bis über 320K) in einem Bündel. Die typischen Industriecarbonfaserkabeln setzen sich aus 24.000 bis 50.000 Einzelfilamenten (24K und 50K) zusammen. In Fachkreisen spricht man meist von einer 24K Faser.

Carbonfasern auf Carbon Rovings gewickelt

Die Carbonfaserbündel oder auch Carbonfaserkabel genannt, werden meistens auf Rovings aufgewickelt. Rovings sind Spulen, auf die Carbonfaserbündel aufgewickelt werden. Die Carbonfaser wird beim Verarbeitungsprozess z.B. Carbon wickeln oder Carbon sticken einfach abgewickelt. Die Fasern auf den Rovings sind meist schon mit Epoxy geschichtet und entsprechen den vorgeschriebenen Normen. Nach dem Abwickeln wird die Faser meist in Epoxidharz getränkt.

Technische Eigenschaften von Rovings

 NF-RovingUMS-RovingIMS-Roving
Standardhöhere Steifigkeithöhere Zugfestigkeit
Zugfestigkeit:3.950 N/mm²4.500 N/mm²5.600 N/mm²
E-Modul (Zug):238.000 N/mm²435.00 N/mm²290.000 N/mm²
Bruchdehnung:1,5 %1,1 %1,9 %
Dichte:1,77 g/cm³1,81 g/cm³1,8 g/cm³
Einzelfilamentdurchmesser:7 μm4,7 μm5 μm
Spez. Elektrischer Widerstand:1,6 x 10-³ Ohm cmk. A.1,45 x 10 - ³ Ohm cm
Wärmeleitzahl:17 W/mKk. A.k. A.

Verarbeitung der Carbonfaser

Carbon kann auf unterschiedlichste Arten verarbeitet werden. Neue Leichtbauteile werden mit der Carbonfaser z.B. gewoben, verpresst oder gewickelt. Nach der Verarbeitung wird die Faser in Harz getränkt und mit dem Autoklavverfahren ausgehärtet. Anschließend können die Teile noch durch Bohren, Fräsen und Polieren bearbeitet werden.

Carbonfaser und Epoxidharz

Die überragenden mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften der Carbonfaser lassen sich nur durch geeignete polymere Matrixsysteme (Duroplaste, Polyester oder Epoxide)  auf die Faser übertragen. Die Modifikationsmöglichkeiten, also das Dosieren und Mischen sind bei Epoxidharzen sehr vielfältig. Die Epoxidharze bieten einstellbare Vernetzungsstrukturen und somit auch verschiedene physikalische Eigenschaften. Das Langzeitverhalten des Verbundwerkstoffs lässt sich somit beeinflussen.

 Quelle: Tabelle, Internet

 


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