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Carbonfasern
Carbonfasern – auch als Kohlefasern oder Kohlenstofffasern bekannt – zählen zu den leistungsfähigsten Verstärkungsfasern im modernen Leichtbau. Mit ihrer außergewöhnlichen Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und Steifigkeit haben sie sich in zahlreichen Hightech-Branchen als unverzichtbares Material etabliert.
Ob in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder im Sportgerätebau – überall dort, wo Gewicht gespart und gleichzeitig höchste mechanische Anforderungen erfüllt werden müssen, sind Carbonfasern das Material der Wahl.
Eigenschaften von Carbonfasern
Carbonfasern bestehen zu mehr als 90 % aus Kohlenstoff. Ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit beruhen auf der stark geordneten Ausrichtung der Kohlenstoffatome entlang der Faserachse.
Be- & Verarbeitung
Carbonfasern werden in der Regel nicht als Einzelfasern, sondern als Faserbündel – sogenannte Rovings oder Tows – verarbeitet. Diese lassen sich zu Geweben, Gelegen oder Vliesen weiterverarbeiten. Die Verarbeitung erfolgt typischerweise im Verbund mit Matrixsystemen wie Epoxidharzen, wobei verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen:
- Handlaminieren – geeignet für kleinere Serien und Prototypen
- Vakuuminfusion – für großflächige, gleichmäßige Bauteile
- Prepreg-Verarbeitung – für höchste Qualitätsanforderungen, z. B. in der Luftfahrt
- Wickelverfahren – für rotationssymmetrische Bauteile wie Rohre oder Druckbehälter
Beim Zuschneiden von Carbonfasergeweben ist Vorsicht geboten: Die feinen Faserstäube sind gesundheitsschädlich und erfordern geeignete Schutzausrüstung (Atemschutz, Handschuhe, Schutzbrille).
Verwendung
Carbonfasern werden nahezu ausschließlich als Verstärkungsmaterial in Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Im ausgehärteten Verbund mit einer Harzmatrix entstehen sogenannte kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die sich durch ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auszeichnen. Typische Anwendungsfelder umfassen Strukturbauteile, Karosserieteile, Sportgeräte und Medizintechnik.
Herstellung
Die Herstellung von Carbonfasern ist ein energieintensiver, mehrstufiger Prozess. Als Ausgangsmaterial dient überwiegend Polyacrylnitril (PAN), seltener Pech (Pitch) oder Rayon. Das Ausgangsmaterial wird zunächst zu Fasern versponnen, anschließend oxidiert (Stabilisierung bei ca. 200–300 °C) und schließlich bei Temperaturen zwischen 1.000 und 3.000 °C unter Schutzgasatmosphäre carbonisiert bzw. graphitisiert. Dabei werden nahezu alle Nicht-Kohlenstoffatome ausgetrieben, und die charakteristische Kristallstruktur bildet sich aus.
Farbe
Carbonfasern sind charakteristisch schwarz bis anthrazitfarben – ein Merkmal, das direkt aus dem Carbonisierungsprozess resultiert. Im Gewebe zeigt sich je nach Bindungsart (Plain, Twill, Satin) ein typisches, optisch ansprechendes Webmuster, das in vielen Designanwendungen bewusst sichtbar eingesetzt wird.
Haptik
Im Rohzustand fühlen sich Carbonfasergewebe weich, leicht und seidig an – ähnlich wie ein feines Textilgewebe. Erst nach der Verarbeitung mit Harz und dem Aushärten entsteht das bekannte harte, steife CFK-Bauteil. Die Oberfläche ausgehärteter CFK-Teile ist glatt und kann durch Schleifen und Polieren auf Hochglanz gebracht werden.
Einsatz & Verarbeitung
Einsatzgebiete
Carbonfasern kommen überall dort zum Einsatz, wo Leichtbau und hohe mechanische Belastbarkeit gefordert sind:
- Luft- und Raumfahrt – Strukturbauteile, Rumpfschalen, Rotorblätter
- Automobilbau – Karosserieteile, Monocoques im Motorsport, Dachmodule
- Windenergie – Rotorblätter für Windkraftanlagen
- Sportartikel – Fahrradrahmen, Tennisschläger, Skier, Paddelblätter
- Medizintechnik – Prothesen, Orthesen, Röntgentische
- Schiffbau & Marine – Masten, Rümpfe, Decksaufbauten
- Architektur & Design – Fassadenelemente, Möbel, Designobjekte
Beispiele Verwendung
Ein klassisches Beispiel ist der CFK-Fahrradrahmen: Durch den Einsatz von Kohlefasergewebe und Epoxidharz lassen sich Rahmen fertigen, die bei einem Gewicht von unter 1 kg höchsten Belastungen standhalten. Im Motorsport ermöglicht das Monocoque aus CFK nicht nur extreme Gewichtseinsparung, sondern bietet durch die gezielte Ausrichtung der Fasern auch eine hervorragende Crashsicherheit.
Für Ihre eigenen Projekte empfehlen wir hochwertige Kohlegewebe von R&G – präzise gewebt, in verschiedenen Bindungsarten und Flächengewichten erhältlich und optimal auf die Verarbeitung mit Epoxidharzsystemen abgestimmt.
Alternative Bezeichnungen für Carbonfasern
Im deutschsprachigen Raum und in der Fachliteratur begegnen Ihnen für Carbonfasern verschiedene Bezeichnungen, die alle dasselbe Material beschreiben:
- Carbonfaser – die im Deutschen am häufigsten verwendete Bezeichnung
- Kohlefaser – synonyme Bezeichnung, ebenfalls weit verbreitet
- Kohlenstofffaser – die chemisch korrekte, normgerechte Bezeichnung
- Kohlegewebe / Carbonfasergewebe – bezeichnet das aus Carbonfasern gewebte Flächengebilde
- Carbon – umgangssprachlich, vor allem im DIY- und Designbereich gebräuchlich
Abkürzung CF
Die international gebräuchliche Abkürzung für Carbonfaser lautet CF (von englisch Carbon Fibre bzw. Carbon Fiber). In Kombination mit dem Matrixwerkstoff Kunststoff ergibt sich die Abkürzung CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) bzw. im Englischen CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer). Diese Kürzel sind in der Industrie, Normung und Fachliteratur standardisiert und werden weltweit einheitlich verwendet.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Carbonfasern
Was ist Carbonfaser?
Eine Carbonfaser ist eine synthetische Faser, die zu mehr als 90 % aus Kohlenstoff besteht. Sie zeichnet sich durch eine sehr hohe Zugfestigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul und eine geringe Dichte aus. Carbonfasern werden fast ausschließlich als Verstärkungsmaterial in Faserverbundwerkstoffen eingesetzt – in Kombination mit einer Harzmatrix entstehen daraus kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die zu den leistungsfähigsten Konstruktionswerkstoffen überhaupt zählen.
Warum ist Carbonfaser so teuer?
Der hohe Preis von Carbonfasern ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen: Die Herstellung ist extrem energieintensiv und erfordert präzise gesteuerte Hochtemperaturprozesse über mehrere Stunden. Das Ausgangsmaterial PAN (Polyacrylnitril) ist selbst kein günstiger Rohstoff, und die Produktionsanlagen sind hochspezialisiert und kapitalintensiv. Hinzu kommt, dass die Weiterverarbeitung zu Geweben, Prepregs oder Bauteilen ebenfalls hohe Anforderungen an Maschinen und Fachpersonal stellt. Trotz sinkender Preise durch Skalierung und Prozessoptimierung bleibt Carbonfaser im Vergleich zu Glasfaser oder Naturfasern ein Premiumwerkstoff.
Wie wird Carbonfaser hergestellt?
Die Herstellung von Carbonfasern erfolgt in einem mehrstufigen thermischen Prozess. Ausgangsmaterial ist in den meisten Fällen Polyacrylnitril (PAN), das zunächst zu Fasern versponnen wird. Diese Fasern werden anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre bei ca. 200–300 °C stabilisiert (Oxidation), bevor sie in einem Inertgasofen bei 1.000–1.500 °C carbonisiert werden. Optional folgt eine Graphitierung bei bis zu 3.000 °C für besonders hochmodulare Fasern. Abschließend werden die Fasern oberflächenbehandelt (Schlichte aufgetragen), um die Haftung zur Harzmatrix zu verbessern, und zu Rovings oder Geweben weiterverarbeitet.
