Kohlefasern (Carbon)

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Kohlenstoff-Fasern (Geschichte des Carbon)

Einen sehr guten, komprimierten Überblick finden Sie in dem nachstehenden PDF:

Kohlenstoff-Fasern

von Dr. Bernd Wohlmann, Toho Tenax Europe GmbH

PDF hier: Datei:AVK Kohlenstoff-Fasern.pdf


Veröffentlich 2009, 3. Auflage
AVK - Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V.
"Handbuch Faserverbundkunststoffe - Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen"

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Wiedergabe im R&G Composite-Wiki mit freundlicher Genehmigung der AVK

Inhalt
1. Geschichte der Kohlenstoff-Faser
2. Herstellung von Kohlenstoff-Fasern
3. Struktur und Oberflächeneigenschaften
4. Präparationen
5. Eigenschaften/Verarbeitung/Anwendungen
6. Entwicklungstendenzen
7. Übersichtsliteratur



Einführung

Kohlenstofffasern wurden (als Glühlampendraht) erstmals im 19. Jahrhundert durch Verkokung von Kunstseide erzeugt.

Erst viel später, gegen Ende der 60er Jahre, kamen Kohlenstoff-Verstärkungsfasern in geringen Mengen und zu hohen Preisen (um 1.500,-- EUR / kg) auf den Markt. Zunächst waren lediglich Rovings (endlose Faserstränge) verfügbar, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wurden.
Seit etwa 1975 werden Kohlenstofffasern weltweit in industriellem Maßstab gefertigt und zu vielfältigen textilen Verstärkungsmaterialien verarbeitet.


Tenax®

Tenax® ist eine aus Polyacrylnitril (PAN) Precursor hergestellte Hochleistungs-Kohlenstofffaser, die sich durch hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und niedrige Dichte auszeichnet.
Seit 10 - 15 Jahren wird die Kohlenstofffaser in wachsendem Umfang in Hochleistungsverbundwerkstoffen eingesetzt. Dieser moderne Werkstoff wird mittlerweile in vielen Industriezweigen, wie z.B. der Luftfahrtindustrie, dem Maschinenbau, der Automobilindustrie, dem Schiffbau, der Medizintechnik, der Windenergie, der Off-Shore- und nicht zuletzt der Sportartikelindustrie eingesetzt.
Die Tenax® Kohlenstofffaser hat durch ihre bewährten Eigenschaften im Verbundwerkstoff in Verbindung mit einem äußerst kundenorientierten kommerziellen und technischen Service eine führende Marktposition in Europa erobern können. In Kombination mit einem ausgereiften Massenproduktionsprozess kann Tenax Fibers immer neue Anwendungen für die Kohlenstofffaser erschließen. Daher stehen Tenax® Kohlenstofffasern an vorderster Stelle, wenn eine kosteneffiziente Anwendung von Carbon verlangt wird.


Rennrad.jpg Segelflugzeug.jpg NASA.jpg


Helm.jpg Rohre.jpg


Das R&G Lieferprogramm

Kohlegewebe, Roving, Bänder, Schläuche, Schnitzel


Eigenschaften von Carbon (Kohlefaser)

Mechanische und dynamische Eigenschaften

  • Hohe Festigkeit
  • Hoher Elastizitätsmodul
  • Niedrige Dichte
  • Geringe Kriechneigung
  • Gute Schwingungsdämpfung
  • Geringe Materialermüdung

Die Festigkeiten übertreffen die der meisten Metalle und anderer Faserverbundwerkstoffe. Die Dehnung von CFK ist vollelastisch, Ermüdungsbeständigkeit und Vibrationsdämpfung sind hervorragend.



Chemische Eigenschaften

  • Chemisch inert
  • Nicht korrosiv
  • Hohe Beständigkeit gegen Säuren, Alkalien und organische Lösungsmittel

Chemisch sehr inert, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber den meisten Säuren, Alkalien und Lösungsmitteln. Kohlenstofffasern nehmen praktisch kein Wasser auf.


Thermische Eigenschaften

  • Geringe Wärmeausdehnung
  • Geringe Wärmeleitfähigkeit

Sehr niedriger thermischer Ausdehnungkoeffizient, der CFK eine hohe Maßstabilität verleiht.
Kohlenstoffasern sind unbrennbar. Sie sind unter Sauerstoffabschluß stabil bis 3000 °C; mit Sauerstoff erfolgt ab ca 400 °C eine Oxidation, die zu Festigkeitsverlusten führt.


Elektromagnetische Eigenschaften

  • Geringe Röntgenstrahlenabsorption
  • Nicht magnetisch


Elektrische Eigenschaften

  • Gute elektrische Leitfähigkeit



Vergleichswerte verschiedener Werkstoffe im Bezug zu CFK

Werkstoff

Einheit

Kiefernholz

Dural-Alu

Titan

Stahl

GFK*

CFK*

Dichte g/cm3
0,5
2,8
4,5 7,8 2,1 1,5
Zugfestigkeit
MPa 100
350
800 1100 720 900
E-Modul MPa
12000
75000
110000 210000 30000 88000
Spez. Festigkeit Reißlänge
km
20
13
18 14 34 60
Spez. E-Modul
km 2400 2700 2400 2700 1400 5900


  • GFK/CFK = quasiisotrope Laminate, nahezu gleiche Festigkeit in jede Richtung


Bei Leichtbauteilen entscheidet eine mit herkömmlichen Werkstoffen vergleichbare Festigkeit bei geringerem Gewicht über die Verwendung.
Bei gleichem Gewicht hat CFK (Carbon Gewebe) die fünffache Zugfestigkeit und Steifigkeit von Stahl. 1 kg CFK kann 5 kg Stahl ersetzen.


Herstellung der Kohlefaser

Kohlefaser bestehen zu über 95 % aus reinem Kohlenstoff.

Elementarer, reiner Kohlenstoff, kommt in der Natur in Form von Graphit oder Diamant vor, ist unlöslich und unschmelzbar und scheidet daher als Rohstoff zur Kohlefaser Produktion aus.

Kohlenstofffasern entstehen durch Pyrolyse (Verkokung) nicht schmelzbarer Kohlenstoff-Polymerfäden. Das technisch bedeutsamste Verfahren ist das Verkoken von Polyacrylnitril. Die Ausgangsfäden (Precursor genannt) enthalten eine durchgehende Kohlenstoffkette (-C-C-C-C-C-C-).

Nach dem Spinnen der PAN-Faser werden die verknäuelten Polymerketten durch Verstrecken zur Faserrichtung ausgerichtet.


Die Umwandlung zur Kohlenstofffaser erfolgt in drei Stufen:

  • Die Voroxidation findet in O2-haltiger Atmosphäre bei 200 - 300 °C statt, wobei die Faser unter Vorspannung gehalten wird;
  • Die Pyrolyse (Carbonisierung) erfolgt bei 800 - 1500 °C unter Inertgasatmosphäre;
  • Anschließend ist noch eine Hochtemperaturbehandlung bei 2000 - 3000 °C möglich.


Temperaturhöhe und Vorspannung bestimmen die Eigenschaften, da hiervon ein maßgeblicher Einfluß auf den Orientierungsgrad der C-Ketten ausgeht.


Die Faseroberfläche ist sehr groß: bei einem Faserdurchmesser von 7 µm und einem Faservolumenanteil von 50 % ergibt sich für 1 cm3 Laminat eine rechnerische Faseroberfläche von 2800 cm2.

REM KOHLE UMS.jpg

REM-Aufnahme der Bruchstücke von Elementarfäden aus Kohlefaser UMS (Foto: R&G)

Gängige Fasertypen

HTA und HTS sind die klassischen Hochleistungskohlenstofffaser-Typen. Diese „HighTenacity“ (HT) Fasern liefern exzellente und ausgewogene mechanische Laminateigenschaften.

STS ist eine spezielle Type für moderne Industrieanwendungen und lässt sich in allen herkömmlichen Prozessen weiterverarbeiten.

UTS ist eine „Ultra High Tenacity“ (UT) Faser für Anwendungen mit speziellen Anforderungen an hohe Festigkeit und erhöhte Bruchdehnung.

IMS (Intermediate Modulus) ist für Anwendungen geeignet, die eine höhere Steifigkeit bei gleichzeitig erhöhter Zugfestigkeit erfordern.

UMS „Ultra High Modulus“ ist für Anwendungen geeignet, die eine überlegene Steifigkeit für die Leistungsfähigkeit des Bauteils erfordern.



Filamentgarn TENAX® HTA und HTS

Dies ist die klassische Tenax® Hochleistungskohlenstofffaser-Type. Seit Anfang der achtziger Jahre hat sich die HTA Faser einen Namen in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen in der Luftfahrt- und Freizeitindustrie gemacht. Diese „High Tenacity“ (HT) Faser liefert exzellente und ausgewogene mechanische Laminateigenschaften unter Zug- und Druckbeanspruchung.

Nicht umsonst war die Tenax® HTA Kohlenstofffasertype eine der ersten Kohlenstoffasern, die in der zivilen Luftfahrt eingesetzt wurde. Wie zum Beispiel für das Höhen- und Seitenleitwerk, Fußboden, Ruder und Klappen, Triebwerksabdeckungen und anderen Bauteile im Airbus. Weitere bedeutende Anwendungen der HTA Faser sind in der Herstellung von Bauteilen für Helikopter und modernen Segelflugzeugen.

Die Tenax® HTS Faser ist eine weiterentwickelte HT-Faser Variante mit erhöhten mechanischen Eigenschaften und erhöhter Anzahl an Filamenten (12k und 24k). Ansonsten bietet die Tenax® HTS Faser ein ebenso gutes Eigenschaftsprofil wie die guteingeführte HTA Faser.

Die Tenax® UMS, „Ultra High Modulus“ (UM) Faser ist für Anwendungen geeignet, wo eine überlegene Steifigkeit erforderlich für die Leistungsfähigkeit des Bauteils ist. Vor allem Konstruktionen wie Satellitenstrukturen, Antennen oder Wellen und Walzen erfordern die außergewöhnlichen Eigenschaften der Tenax® UMS Fasern. Aber auch Sportgeräte wie Angelruten und Bootsmasten können erst mit Hilfe der Tenax® UMS Faser ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten.

Eigenschaften Filamentgarn HTA (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
1,77
Zugfestigkeit MPa 3950 (HTS 4300)
Zug-E-Modul GPa
238
Bruchdehnung  % 1,5
Spezifische Wärmekapazität
(J/kg•K)
710
Wärmeleitzahl
(W/m•K)
17
Wärmeausdehnungskoeffizient
(10-6 K-1)
- 0,1
Spez. elektrischer Widerstand
(Ω•cm)
1,6 • 10-3



Filamentgarn TENAX® UMS40

Die TENAX® UMS40, „Ultra High Modulus“-Faser (UM) ist für Anwendungen geeignet, wo eine überlegene Steifigkeit erforderlich für die Leistungsfähigkeit des Bauteils ist. Vor allem Konstruktionen wie Satellitenstrukturen, Antennen oder Wellen und Walzen erfordern die außergewöhnlichen Eigenschaften der Tenax® UMS Fasern. Aber auch Sportgeräte wie Angelruten und Bootsmasten können erst mit Hilfe der Tenax® UMS Faser ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten.

Eigenschaften Filamentgarn TENAX® UMS40 (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
1,79
Zugfestigkeit MPa 4700
Zug-E-Modul GPa
390
Bruchdehnung  % 1,2



Filamentgarn TORAYCA® T300 / T300J

Dies ist die klassische Torayca® Hochleistungskohlenstofffaser Type.

Eigenschaften Filamentgarn TORAYCA® T300/T300J (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
1,76/1,78
Zugfestigkeit MPa 3530/4210
Zug-E-Modul GPa
230
Bruchdehnung  % 1,5/1,8



AKSACA™ A-42

Eigenschaften Filamentgarn AKSACA™ A-42 (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
1,78
Zugfestigkeit MPa 4200
Zug-E-Modul GPa
240
Bruchdehnung  % 1,8



PYROFIL™ TR50S

Eigenschaften Filamentgarn PYROFIL™ TR50S (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
1,82
Zugfestigkeit MPa 4900
Zug-E-Modul GPa
240
Bruchdehnung  % 2,0



DIALEAD® K63712

Eigenschaften Filamentgarn DIALEAD® K63712 (Richtwerte) Einheit Wert
Dichte g/cm3 bei 20 °C
2,12
Zugfestigkeit MPa 2600
Zug-E-Modul GPa
640
Bruchdehnung  % 0,4



Festigkeitswerte gängiger Kohlefaser

Vergleichsdaten im Überblick Datei:Td de Vergleichsdaten Kohlenstofffasern .pdf


Fadenkonstruktion bei Kohlefasern

1k = 1000 Filamente pro Faden
3k = 3000 Filamente pro Faden
6k = 6000 Filamente pro Faden

1k wird z.B. verarbeitet für Kohlegewebe 93 g/m², 3k für Kohlegewebe mit 160, 204, 245 g/m² Flächengewicht.


Die Verarbeitung

In der Verarbeitung zu Laminaten sind Kohlenstofffasern mit Textilglasprodukten vergleichbar. Schichtweise wird das zugeschnittene Gewebe z.B. mit Epoxydharz getränkt, und so ein Laminat hergestellt.

Im Gegensatz zu Glasgewebe, das bei richtiger Benetzung transparent wird, bleibt die Kohlefaser gleichmäßig schwarz. Luftblasen und ungetränkte Stellen lassen sich nicht erkennen. Fehlstellen müssen durch sorgfältiges Arbeiten mit Pinsel und Mohairwalze vermieden werden.

Das Laminierharz sollte auf Raumtemperatur (20 °C) erwärmt sein, damit es dünnflüssig genug ist, die Fasern vollständig zu benetzen. Eine gute Benetzung, ohne Lufteinschlüsse, ist für die Endfestigkeit entscheidend.


Spezifikation

R&G liefert Gewebe und Rovings hauptsächlich aus Tenax Kohlenstofffasern.
Die meisten Breitgewebe sind nach DIN 65 147 T1 und T2 (Luftfahrtnorm) und den QSF-B-Richtlinien (Qualitätssicherungs-System der Luftfahrt) hergestellt.

Fehlerklassifizierung


Hybridgewebe / Designgewebe

Mischfasergewebe können sich in ihren Eigenschaften ergänzen und sind für bestimmte hochbelastete Bauteile (z.B. Motorrad-Rennverkleidung, Schiffsmodellrümpfe, Surfboards etc.) besonders zu empfehlen. Ein Kohle/Aramid-Laminat erhält durch die Kohlefaser eine hohe Steifigkeit und eine gute Druckfestigkeit, durch die Aramidfaser wird eine erhöhte Schlagzähigkeit erzielt. Üblich sind die Kombinationen Kohlenstoff/Aramid, Kohlenstoff/Glas und Kohlenstoff/Dyneema®.
Auch als Designgewebe werden diese Mischgewebe verarbeitet. Kohle/Aramid ist gelb/schwarz, Kohle/Dyneema weiß/schwarz. Lediglich Kohle/Glas wirkt meist nicht besonders attraktiv, da die Glasfaser im Laminat transparent ist.



Eigenschaften von Mischfasergeweben

Hybridwerkstoffe

gegenüber CFK allein

gegenüber AFK allein

gegenüber GFK allein

CFK/AFK verbesserte
Schlagzähigkeit
höhere
Druckfestigkeit
---
CFK/GFK verbesserte
Schlagzähigkeit
---
geringeres Gewicht
höhere Steifigkeit
AFK/GFK ---
höhere
Druckfestigkeit
geringeres Gewicht
höhere Steifigkeit


CFK = Kohlefaserkunststoff, GFK = Glasfaserkunststoff, AFK = Aramidfaserkunststoff


Haftvermittler

Um eine möglichst gute Haftung des Harzes auf der Faser zu erreichen, sind alle R&G Kohlegewebe mit einer epoxydhaltigen Präparation imprägniert. Der Anteil liegt bei 1,3 % des Gewebegewichtes. Als Matrix empfehlen wir Epoxydharze, eine Verarbeitung mit Polyesterharzen ist jedoch auch möglich.


Schiebeverfestigung

Um das Auslösen von Fäden beim Schneiden zu verhindern, kann das Gewebe bei der Herstellung mit einem zusätzlich aufgebrachten, harzfreundlichen Binder schiebeverfestigt werden. Die Drapierfähigkeit bleibt dabei weitestgehend erhalten! R&G liefert das Kohlegewebe 245 g/m2 optional auch mit dieser Schiebeverfestigung. Vorteile bietet dieses Material vor allem bei der Herstellung von Sicht-Carbonteilen und beim Zuschneiden von Torsionslagen (± 45°). Ab ca. 100 m2 kann jedes Kohlegewebe ab Werk schiebeverfestigt werden. Das Gewebe ist wegen seines Binders mit heißer Luft thermoplastisch verform- und verklebbar. Dieser Prozeß ist beliebig of reversibel. Die Lagenausrichtung bei Mehrlagenaufbauten erfolgt ohne Fadenverschiebung. Die Benetzungsfähigkeit bei Epoxydharzen sowie der Harzfluß werden nicht negativ beeinflußt.Während der Aushärtung schmilzt der EP-Binder und vernetzt oberhalb seiner Schmelztemperatur homogen mit der Matrix (Schmelzbereich 103 - 115 °C). Sollte ein Aushärten unter der Schmelztemperatur des Binders erfolgen, vernetzt dieser zwar nicht, behindert aber auch nicht die Faser-Matrix-Haftung.


Besonderheiten

Kohlenstoffilamentgewebe dürfen keinesfalls geknickt oder mit scharfkantigen Werkzeugen wie Metallscheibenrollern verarbeitet werden. Bei einer Beschädigung der Filamente ergeben sich zwangsläufig Sollbruchstellen. Auf gefaltete Kohlenstoffgewebe sollte beim Kauf zugunsten aufgerollter Stücke verzichtet werden.


Lagerung

Nach DIN 65147 sind Kohlenstofffilamentgewebe für die Luft- und Raumfahrt liegend, in trockenen, möglichst temperierten Räumen lichtgeschützt so zu lagern, dass von außen keine Druckbelastung einwirkt.

Sicherheitshinweise

Kohlenstoffasern, Faserbruchstücke und Faserabrieb haben einige besondere Eigenschaften:
Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit ist die Einwirkung auf elektrische Anlagen zu vermeiden. Bei Einwirkung auf die Haut kann eine Reizung erfolgen. Aus Vorsorge ist geeignete Schutzkleidung zu tragen. Abrieb in Form atembarer Stäube hat keine faserförmige Struktur und ist daher als Inertstaub einzustufen.

Ökologie

Werkstoff

Dichte

g/cm3

Öltonnenäquivalent für Rohmaterial

Öltonnenäquivalent für Umwandlung

Öltonnenäquivalent für den Werkstoff

Energiepreis KJ pro cm3 Werkstoff

Aluminium 2,7
---
5,6
5,6 665
Stahl
7,8 ---
1,0
1,0 385
Kunstharze/Polymere 1,1
1,3
1,88
3,18 150
Glasfaser
2,6
---
0,45
0,45 50
Kohlefaser (PAN-Basis)
1,8 3,0 3,6 6,6 525
GFK (60 Vol.-% Faser) 2,0 0,52 1,02 1,54 134
CFK (60 Vol.-% Faser) 1,6 2,32 2,55 4,87 365