Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

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Eigenschaften

Fasertyp: Kohlenstofffaser HT
Matrixtyp: Epoxidharz
Faservolumenanteil 60 %
Alle Werte sind typische
Durchschnittswerte

Grundelastizitätsgrößen
E_{\|} 140 000 N/mm2
E_{\perp} 12 000 N/mm2
G_{\perp\|} 5 800 N/mm2
G_{\perp\perp} 5 400 N/mm2
\nu_{\perp\|} 0,26
Dichte
\rho 1,5 g/cm3
Grundfestigkeiten
R^{+}_{\|} 2 000 N/mm2
R^{-}_{\|} 1 500 N/mm2
R^{+}_{\perp} 70 N/mm2
R^{-}_{\perp} 230 N/mm2
R_{\perp\|} 90 N/mm2
Wärmeausdehnungskoeffizienten
\alpha_{\|} 0,2·10−6 K−1
\alpha_{\perp} 30·10−6 K−1

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK), auch carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), oder englisch carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP), oder verkürzend Carbon, oder Karbon, ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in Kunststoff eingebettet sind. Der Kunststoff besteht meist aus Epoxidharz. Es sind aber auch andere Duromere oder Thermoplaste möglich.

Werkstücke aus CFK sind bei gleichen Abmessungen deutlich leichter und steifer als wenn sie aus Stahl hergestellt sind. Daher kommt CFK besonders dort zum Einsatz, wo eine geringe Masse und hohe Steifigkeit erforderlich sind. Bekannte Beispiele sind Fahrradrahmen oder Angelruten.

Beschreibung[Bearbeiten]

Kohlenstofffasergewebe zur Herstellung von CFK
Die Skulptur Mae West ist aus CFK-Rohren mit einem Durchmesser von etwa 25 cm aufgebaut.

CFK besteht aus Kohlefasern, die in eine Matrix aus Kunststoff eingebettet sind. Dabei profitieren die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Verbunds von der Zugfestigkeit der Kohlefasern. Die Matrix verhindert, dass sich die Fasern unter Belastung gegeneinander verschieben. Auf diese Weise entsteht ein sehr steifer Werkstoff.

Kohlefasern haben eine im Vergleich zu Werkstoffen wie Stahl eine geringe Dichte. Dadurch eignet sich CFK besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine geringe Masse ankommt.

Die Festigkeit und die Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials sind in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist die Festigkeit geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Die Faserrichtungen werden vom Konstrukteur anhand einer Computerberechnung (z. B. mithilfe der klassischen Laminattheorie) festgelegt, um die geplante Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen.

Für eine möglichst große Steifigkeit ist ein ein hoher Faservolumenanteil erwünscht. Lufteinschlüsse vermindern die Bindung der Matrix an die Faser. Daher streben Herstellungsverfahren von CFK ein von Luftblasen freies Produkt an. Der Elastizitätsmodul der Faser sollte höher sein als der des Werkstoffes der Matrix. Die Matrix muss auf der Faser haften, ansonsten versagen die Bauteile durch Faser-pull-out.

CFK wird verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau oder für Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Speedskates, Tennisschläger, Sportpfeile und Angelruten. Im Bauwesen wird CFK als Bewehrung von Betonbauteilen verwendet oder in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt, um Bauwerke zu verstärken.

Fertigungsverfahren[Bearbeiten]

Die Fertigungsverfahren entsprechen denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und benötigen einen hohen Anteil an manueller Arbeit. Es werden vor allem Verfahren eingesetzt, mit denen sich hochwertige Faserverbunde herstellen lassen (Prepreg im Press- oder Autoklavverfahren, Faserwickeln). CFK-Handlaminate kommen dagegen fast ausschließlich im Kleinserienbau und in der Einzelfertigung zur Anwendung.

Wenn als Kunststoffmatrix Phenolharz verwendet und die Matrix anschließend bei Temperaturen von 800–900 °C unter Schutzgas (Stickstoff) pyrolysiert wird, kann eine neue Werkstoffklasse, der kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff (engl. carbon-fiber-reinforced carbon, CRC bzw. CFRC), erschlossen werden. Phenolharz zeigt hierbei eine Kohlenstoffausbeute > 50 Gew.-%, wodurch eine poröse Carbonmatrix entsteht. Diese ist durch die Carbonfasern verstärkt. Durch wiederholtes Imprägnieren und Pyrolysieren mit Phenolharz oder anderen Materialien mit hoher Kohlenstoffausbeute, beispielsweise Flüssigpeche, kann der poröse Anteil gefüllt und die Kohlenstoffmatrix mit jeder Imprägnier- und Pyrolysestufe dichter gemacht werden.

Die poröse Matrixstruktur kann auch über eine Gasphasenpyrolyse kohlenstoffhaltiger Gase aufgefüllt werden. Dieser Prozess ist jedoch langwieriger als der Flüssigphaseninfiltrationsprozess mit anschließender Pyrolyse.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien