Carbonfaser

Carbonfaser, auch Kohlefaser genannt, bezeichnet faserförmige Kohlenstoffstrukturen, die aus Vorläuferfasern durch Wärmebehandlung hergestellt werden. Sie verbinden eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit mit einer vergleichsweise geringen Dichte. Typische Werte liegen bei einer Dichte von circa 1,6 bis 1,95 g/cm³, Zugfestigkeiten von 2 bis 6 GPa und einem Young’schen Modul von etwa 70 bis 800 GPa, je nach Faserart und Behandlung. Durch ihre Wärme- und Korrosionsbeständigkeit finden Kohlefaser in vielen Bereichen Einsatz.

Herstellung: Die meisten Kohlefaser entstehen aus Polyacrylonitril (PAN) oder aus Pitch-Precursoren. Der Herstellungsprozess umfasst eine Vorstabilisierung der Faser in Luft, gefolgt von Carbonisierung bei hohen Temperaturen (ungefähr 1000–1500 °C) und teilweise Graphitisierung, um die Leitfähigkeit und Steifigkeit weiter zu erhöhen. Die Fasern haben typischerweise Durchmesser von 5–7 μm. Vor der Verarbeitung erhalten sie eine Sizing-Schicht, die die Handhabung erleichtert und die Haftung in Matrixmaterialien verbessert.

Verbundwerkstoffe und Anwendungen: Carbonfaser dienen überwiegend als Bewehrung in polymeren Matrizes, wodurch kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) entstehen. Typische Matrizen sind Epoxidharze, Polyester oder Cyanatester. Die Eigenschaften sind stark anisotrop, richten sich nach Faserorientierung. CFRP werden oft als Prepregs hergestellt und in Autoklaven oder Heißpressen ausgehärtet. Vorteile sind hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht; Nachteile umfassen Kosten, begrenzte Schlagzähigkeit und anspruchsvolle Reparatur.

Anwendungen und Umwelt: Typische Einsatzfelder sind Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Sportgeräte und Windkraft. Recycling und Entsorgung bleiben Herausforderungen, insbesondere bei duroplastischen Matrizesystemen; thermoplastische CFRP bieten teils bessere Rezyklierbarkeit, sind aber kosten- und verarbeitungsabhängig.