Kohlefaser
Weitere Infos im R&G eWiki
Kohlefasern (Carbonfasern, Kohlenstofffasern) werden heute industriell in großen Mengen hergestellt. Der Bedarf liegt derzeit bei rund 70.000 Tonnen und wächst dynamisch. Bis 2021 soll die benötigte Menge bei jährlich 116.000 Tonnen liegen (Quelle AVK).
Typen von Kohlefasern
Die für Verbundwerkstoffe wichtigen Fasertypen sind anisotrop und besitzen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung.
Bei R&G gängige Typen sind:
HT-Fasern: hochfest (High Tensity / High Tenacity)
IM-Fasern: intermediate (Intermediate Modulus)
HM-Fasern: hochsteif (High Modulus)
UHM-Fasern: (Ultra High Modulus)
Vergleichsdaten Festigkeitswerte
Kohlefasern werden überwiegend zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK = Carbonfaserverstärkter Kunststoff, englisch CFRP = Carbon Fiber Reinforced Plastic) benutzt. Im allgemeinen Sprachgebrauch stehen Begriffe wie CFK, Carbon, Graphit(e), Kohlefaser und Kohlenstofffaser für mit Kohlenstofffaser verstärkte duromere Kunststoffe (Epoxydharz, Polyesterharz, Vinylesterharz, Phenolharz).
Die einzelne Kohlenstoff-Faser hat einen Durchmesser von etwa 5–9 Mikrometer (zum Vergleich ein menschliches Haar um 50 Mikrometer). Von diesen Filamenten (Elementarfäden) werden meist 1.000 bis 48.000 Filamente zu einem Garn bzw. Roving zusammengefasst.
Auf Spulen aufgewickelt erfolgt die weitere Verarbeitung zu textilen Halbzeugen wie z. B. Geweben, Gelegen, Bändern, Flechtschläuchen usw.
Über Wickel- und Pultrusionsanlagen können bei gleichzeitiger Tränkung mit Harzen (Polyester, Vinylester, Epoxydharz) CFK-Profile und Rohre gefertigt werden.
Fadenkonstruktion bei Kohlefasern
1k = 1000 Filamente pro Faden
3k = 3000 Filamente pro Faden
6k = 6000 Filamente pro Faden
12k = 12000 Filamente pro Faden
24k = 24000 Filamente pro Faden
50k = 50000 Filamente pro Faden
1k = 1000 Einzelfilamente Kohlefaser, 3k = 3000 Einzelfilamente etc.
Je höher die Anzahl Filamente pro Faden, umso schwerer das Gewebe. 1k wird z.B. verwendet für Kohlegewebe 93 g/m², 3k für Kohlegewebe mit 160, 204, 245 g/m² Flächengewicht usw.
Bei R&G lieferbare Kohlefaser-Gewebe und Kohlefaser-Gelege
Auswahl Kohlegewebe und Gelege
Spread-Tow Kohlefaser-Gewebe
Spread Tow -Gewebe steigern die Leistungsfähigkeit Ihrer Faserverbundbauteile und sorgt sowohl für eine Gewichtsreduzierung als auch für eine Oberflächenqualität, die eine neue, einzigartige Designästhetik ermöglicht. Das Gewebe ist drapierfähig und einfach in der Handhabung beim Einlegen und Zuschneiden.
Verarbeitungshinweise Spread Tow
Hybridgewebe Kohlefaser / Aramidfaser und Designgewebe
Mischfasergewebe können sich in ihren Eigenschaften ergänzen und sind für bestimmte hochbelastete und schlagbeanspruchte 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 und Kohlenstoff/Glas.
Eigenschaften von Kohlefasern
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 von Kohlefasern
• Chemisch inert
• Nicht korrosiv
• Hohe Beständigkeit gegen Säuren, Alkalien und organische Lösungsmittel
• Kohlefasern nehmen praktisch kein Wasser auf
Thermische Eigenschaften von Kohlefasern
• 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 von Kohlefasern
• Geringe Röntgenstrahlenabsorption
• Nicht magnetisch
Elektrische Eigenschaften von Kohlefasern
• Gute elektrische Leitfähigkeit
Anwendungsgebiete von Kohlefasern
• Sportgerätebau (Fahrräder, Modellbau, Angelruten, Schläger aller Art, Ski, Surfboards etc.)
• Motorsport (Formel-1 Monocoques, Karosserieteile)
• Fahrzeugbau (Karosserieteile, Chassis, e-Mobilität)
• Bootsbau (Masten, Rümpfe)
• Flugzeugbau (komplette Flugzeugstrukturen)
• Bausektor (Brücken, Designelemente)
• Musikinstrumente (Streich- und Zupfinstrumente)
Die Verarbeitung von Kohlefasern
Um die ausgezeichneten statischen und dynmischen Festigkeiten auch nutzen zu können, werden die Fasern durch Einbetten in eine Harz-Matrix (meist Epoxydharz) zu einem Verbundwerkstoff kombiniert.
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 Laminierpinsel und -walze vermieden werden.
Handlaminat
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 späteren mechanischen Eigenschaften des Laminats entscheidend.
Weitere Verfahren, die sehr hohe Fasergehalte und gute Oberflächen für Bauteillaminate bieten, sind:
Vakuumpressen
Harzinjektion
Pressverfahren
Pressen im Autoklaven
CFK-Werkstoffprüfung
Zur Prüfung von Faserverbundstrukturen werden sowohl zerstörende als auch zerstörungsfreie Prüfverfahren angewendet.
Mit zerstörender Prüfung wird beispielsweise die Bruchlast des Materials oder das Bruchverhalten geprüft.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (z.B. Ultraschall- oder akustische Prüfungen), ermöglichen die Lokalisierung von Defekten wie Delaminationen, Lunker oder Luftblasen.
Haftvermittler bei Kohlefasern
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 von Kohlefaser-Geweben
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 diverse Kohlegewebe optional auch mit dieser Schiebeverfestigung. Vorteile bietet dieses Material vor allem bei der Herstellung von optischen CFK-Bauteilen 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.
Anleitung zur Verarbeitung
Besonderheiten
Kohlenstofffilamentgewebe 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 von Kohlefaser-Geweben
Nach DIN 65147 sind Kohlenstofffasergewebe für die Luft- und Raumfahrt liegend, in trockenen, möglichst temperierten Räumen lichtgeschützt so zu lagern, dass von außen keine Druckbelastung einwirkt.
Sicherheitshinweise Kohlefasern
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
Spezifikation von Kohlefaser-Geweben
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.
wie Harze, Härter, Klebstoffe etc. berechnen die Transportdienste Zuschläge. Diese Kosten in Höhe von 3,50 € incl. MwSt. werden nur einmal pro Auftrag erhoben, unabhängig von der Menge an Gefahrgütern und der Anzahl der Pakete.