Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern sind dünne, hochfeste Faserstrukturen aus Kohlenstoff, die durch Umwandlung organischer Vorläuferfasern in Kohlenstoff gewonnen werden. Die verbreitetsten Vorläufer sind PAN-basierte Fasern und Pitch-basierte Fasern. Kohlenstofffasern zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeit, hohe Steifigkeit, geringes Gewicht, chemische Beständigkeit sowie eine geringe Wärmeausdehnung aus. Ihre Eigenschaften sind stark anisotrop und abhängig von der Orientierung der Fasern in einem Verbundwerkstoff.

Herstellung: Der Vorläufer wird zu Filamenten gesponnen und in einem Stabilisationsschritt in Luft bei etwa 200–300 °C so behandelt, dass die Moleküle stabile Strukturen eingehen. Danach erfolgt die Carbonisierung in Inertgas bei 1000–1500 °C, wodurch noch organische Strukturen in kohlenstoffreiche Strukturen umgewandelt werden. Optional folgt eine Graphitisierung bei noch höheren Temperaturen (über 2000 °C) zur Erhöhung des Moduls. Die Faseroberfläche wird durch Beschichtungen (Sizing) behandelt, um die Haftung mit Polymermatrizen zu verbessern.

Eigenschaften: Kohlenstofffasern besitzen eine sehr hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit bei relativ geringem Gewicht. Typische Dichten liegen bei 1,6–1,95 g/cm³, der Zugmodul im Bereich von ca. 230–600 GPa und die Zugfestigkeit etwa 1–5 GPa. Die Wärmeausdehnung ist gering; in Verbundwerkstoffen können die Werte stark vom Gewebe und Harz abhängen. In Luft oxidieren Kohlenstofffasern bei hohen Temperaturen (ca. 450–500 °C) leicht; in harzgebundenen Bauteilen sind sie jedoch meist besser geschützt.

Anwendungen: Aufgrund des hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht kommen Kohlenstofffasern in Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Windkraft, Sport- und Freizeitgeräten sowie in Hochleistungsverbundwerkstoffen zum Einsatz. Nachteile sind die Kosten, der Energiebedarf der Herstellung und Recyclingprobleme. Forschung zielt darauf ab, günstigere Vorläufer, effizientere Prozesse und bessere Oberflächenbehandlungen zu entwickeln.