kohlenstofffaser

Kohlenstofffaser ist eine Faser aus kohlenstoffreichen Materialien, die sich durch sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht auszeichnet. Am häufigsten wird sie aus PAN (Polyacrylonitril) hergestellt; seltener aus Pitch. Die Fasern werden zu Garnen oder Filamenten verarbeitet und dienen als Verstärkung in Leichtbaustrukturen.

Herstellung: PAN- oder Pitch-Vorstufen werden stabilisiert, karbonisiert und graphitisiert. Die Kohlenstoffkristalle richten sich dabei entlang der Faserachse aus, wodurch Festigkeit und Modulus steigen. Typische Temperaturen: Stabilisierung etwa 200–300 °C, Karbonisierung 1000–1500 °C, Graphitisierung bis 3000 °C in Inertgas. Sizing schützt die Fasern und erleichtert die Verarbeitung.

Eigenschaften: Hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Dichte (typisch 2,5–7 GPa Festigkeit, bis 600 GPa Modulus; Dichte ca. 1,6–1,95 g/cm³). Stark anisotrop; gute Ermüdungs- und Chemikalienbeständigkeit. Temperaturbeständigkeit lässt sich durch die Matrix begrenzen; Oxidation in Luft kann die Fasern an der Oberfläche angreifen.

Verarbeitung und Anwendungen: In Verbundwerkstoffen mit Harzen, meist Epoxid- oder Polyesterharze. Verarbeitung als Prepregs, Filament-Winding oder Pultrusion; Aushärtung oft im Autoklaven oder Ofen. Einsatzgebiete: Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Windenergie, Sportgeräte und Bauwerksverstärkungen.

Umwelt und Wirtschaft: Hohe Kosten und Energiebedarf der Herstellung; Recycling- und Reparaturherausforderungen. Recycling erfolgt mechanisch, chemisch oder durch Pyrolyse, ist aber teuer und energieintensiv.

Geschichte: Die Entwicklung begann in den 1960er-Jahren; ab den 1970er-Jahren kam kommerzieller Einsatz in Luftfahrt und anderen High-End-Anwendungen. Heute ist Kohlenstofffaser in vielen Industrien ein zentrales Leichtbauelement.