Kohlenstofffasern
Kohlefaser (dunkel) und menschliches Haar (hell)
Als Basis diente anfangs Cellulose, später auch synthetische Fasern, besonders Polyacrylnitril (PAN)
Zur Herstellung wird erst PAN aus Acrylnitril polymerisiert (1.) dann das PAN einem Cyclisierungsprozess unterworfen (2.) und anschließend das Polymer mit Sauerstoff behandelt, wodurch der Wasserstoff zu Wasser oxidiert und entfernt wird (3.).
(schematische) Herstellung von Kohlefasern
In dieser Phase heißt das Produkt „Black Orlon“ und besitzt bereits technische Anwendungen, zur Kohlefaser fehlt aber noch weiterer Schritt: Die Carbonisierung bei ca. 1200–1500°C für ca. 1min unter Schutzgas (4.). Bereits jetzt heißt das Produkt Kohlefaser, genauer hochfeste-Kohlefaser (HT-Kohlefaser oder HT-CF).
Für einige Anwendungen ist aber weniger wichtig, dass die Faser enorm hohen Kräften standhält: dann wird die Kohlefaser noch einmal bei 2000-3000°C für 20s in einer Argon – Atmosphäre Graphitisiert, wodurch Hochmodul – Kohlefaser (Hochmodul-Kohlefaser, HM-CF) erhalten wird, die zwar bereits bei etwas (unerheblich) weniger Kraft reißt, sich bis dahin aber nicht in die Länge zieht. Der zweite Typ ist die eigentliche Graphitfaser und wird z.B. für Flugzeugtragflächen verwendet, bei denen ein zu starkes Durchbiegen sehr unerwünscht wäre.
Generell werden Kohlefasern überall dort eingesetzt, wo man mit einem möglichst geringen Gewicht hohe Stabilität erzielen möchte und der Preis eher unwichtig ist, da sie relativ teuer in der Herstellung sind, aber bei nur einem Viertel der Dichte 7x so reißfest sind wie Edelstahl:
Material | Reißfestigkeit [MPa] |
Kohlefasern | 6370 |
Micro – Melt® (Spezialstahl) | 5205 |
Glasfasern | 4710 |
Polyaramid (Kevlar®) | 3757 |
Polyethylen (PE-UHMW) | 3500 |
Wolfram | 1510 |
Spinnenseide | 1000 |
Titanlegierungen | 940 |
Edelstahl | 860 |
Messing | 550 |
Aluminiumlegierungen | 483 |
menschliches Haar | 380 |
Polypropylen (PP) | 80 |
Nylon® (PA) | 78 |
Eichenholz | 60 |
Zerreisfestigkeiten einiger Materialien in Megapascal
Zudem hält die Faser diese Belastungen auch noch bei über 2000°C aus, was in Spezialbauteilen tatsächlich genutzt wird. Der überwiegende Teil wird aber zur Faserverstärkung von Kunststoffen (=CFK) und anderes verwendet, u.a. für
- Fahrzeugbauteile
- Hitzeschilde
- Sportgeräte
- medizinische Implantate
- Filter
- Elektronikbauteile
- Glühlampenfäden
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