Was ist Kohlenstofffaser?
Kohlenstofffaser besteht aus extrem dünnen Filamenten im Durchmesser von 5 bis 7 Mikrometern. Mehr als 90 % dieser Kohlenstoff-Filamente bestehen aus Kohlenstoffatomen, der Rest hauptsächlich aus Stickstoffatomen. Die Kohlenstoffatome bilden kristallin angeordnete, graphitische Ebenen.
Wie wird Torayca®-Kohlenstofffaser hergestellt?
Die Torayca®-Kohlenstofffaser wird aus Polyacrylnitril (PAN)-Faser hergestellt. Diese PAN-Fasern werden durch Polymerisation, Spinnen und anschließendes Verstrecken des Polymers gewonnen. Die dabei entstehenden Polymerketten sind in Richtung der Filamentachse ausgerichtet, was für die Eigenschaften der Kohlenstofffaser ausschlaggebend ist.
- Der erste Schritt im Karbonisierungsverfahren, die sogenannte Oxidation, dient dazu, die Polyacrylnitrilfaser unbrennbar zu machen. Die Oxidation erfolgt zwischen 200 und 300°C. Während dieses Stadiums wird durch die Fadenspannung die Ausrichtung der Polymerketten beibehalten.
- Der nächste Schritt, auch Karbonisierung genannt, besteht darin, die Kohlenstoffatome zu extrahieren. Bei Temperaturen von ca. 1.500°C reagiert die oxidierte Polyacrylnitrilfaser unter Schutzgasatmosphäre unter Bildung der charakteristischen Graphitebenen der Kohlenstofffaser.
- Die Kohlenstofffaser kann ggf. einer zweiten Wärmebehandlung bei Temperaturen über 2.000°C unterzogen werden, um ihre kristalline Struktur so zu verändern, dass hochmodulige Kohlenstofffasern entstehen.
- Anschließend wird die Kohlenstofffaser einer Oberflächenbehandlung unterzogen: der chemischen Elektrolyse. Sie ermöglicht das Aufpfropfen von Sauerstoffgruppen auf die Oberfläche der Filamente. Diese reaktiven Gruppen werden anschließend mit der Schlichte reagieren. Durch die Schlichtbehandlung kann die Faser mit der Polymermatrix des Verbundstoffes reagieren. Diese Reaktion ermöglicht eine optimale Verarbeitung für die jeweilige Applikation.
Welches sind die Eigenschaften von Kohlenstofffaser?
Leichtgewichtigkeit:
Kohlenstofffaser ist leicht, weil Kohlenstoffatome eine sehr niedrige Atommasse haben. Darüber hinaus bewirkt die kristallin organisierte chemische Struktur in graphitischen Ebenen große Abstände zwischen den Kohlenstoffatomen.
Mechanische Eigenschaften:
Auch die Morphologie der Kohlenstoff-Filamente spielt für ihre Beständigkeit eine wesentliche Rolle.
Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen sind in Bezug zu ihrer Dichte (Masse) zu betrachten. Man spricht dann von einer spezifischen Resistenz und einem Modul, für die Carbonverbundwerkstoffe heute unübertroffen sind.
Thermische Eigenschaften:
Kohlenstofffaser scheut die Hitze nicht. Wenn sie unter hohen Temperaturen zum Einsatz kommt, zersetzt sie sich nicht und dehnt sich nicht aus.
Um das Potenzial ihrer thermischen Eigenschaften voll auszuschöpfen, werden Kohlenstofffasern manchmal mit keramischen Matrizen legiert, von denen die am häufigsten verwendete keine andere ist als Kohlenstoff selbst ist! Solche Verbundwerkstoffe besitzen somit die Materialeigenschaften von Kohlenstoff bis zu Temperaturen über 2.000°C.
Elektrische Leitfähigkeit und Resistenz:
Kohlenstofffasern sind elektrische Leiter. Unter dem Einfluss von elektrischem Strom erzeugen sie durch den Joule-Effekt Wärme. Dank ihrer elektrischen Leitfähigkeit und ihres ausgezeichneten Wärmeverhaltens bieten hervorragende Beheizungslösungen. Carbon-Verbundwerkstoffe können auch als Schutzbarriere für elektronische Geräte gegen elektrische und hochfrequente Störungen dienen. Auf diese Weise wirken Carbon-Verbundwerkstoffe wie Faraday‘sche Käfige.
Röntgentransparenz:
Kohlenstofffaser besteht aus extrem leichtgewichtigen Elementen: 95% Kohlenstoffatome und 5% Stickstoff. Das Material absorbiert nur eine geringe Menge an Röntgenstrahlen und kann daher in der medizinischen Bildgebung eingesetzt werden.
Nichtentflammbarkeit:
Kohlenstofffasern weisen eine extrem geordnete Struktur auf, die viele starke Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen induziert. Die Oxidationsreaktion eines Feuers kann sich dann nicht selbst speisen, was diesem Material seinen nichtbrennbaren Charakter verleiht.
Wie werden Kohlenstofffasern verwendet?
Leichtgewichtig, widerstandsfähig und nachhaltig, ist Karbonfaser der Werkstoff der Zukunft. Sie wird als Verstärkung in Verbundwerkstoffen eingesetzt. Die großen Anwendungsgebiete sind u.a.:
- Luft- und Raumfahrt
- Sport & Freizeit (Golfschläger, Angelruten, Fahrradrahmen)
- Automobilindustrie
- Schiffbau und Werftindustrie
- Bauwesen
- Energie
Kohlenstofffasern ermöglichen vor allem eine Leichtbauweise für unsere Verkehrsmittel. Eine 20-prozentige Gewichtsreduktion eines Flugzeugrumpfs aus Carbonfaserverbundwerkstoff spart über den gesamten Lebenszyklus runde 1.400 Tonnen CO2 ein.
Automobilindustrie: eine Lösung für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge
Wasserstofffahrzeuge haben heutzutage eine größere Autonomie als batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (> 500 km). Diese Leistung ist dank der Speicherung von verdichtetem Wasserstoff in einem Carbonfasertank möglich. Dank ihrer Eigenschaften ist Kohlenstofffaser heute das einzige Material, das dauerhafte Beständigkeit und Leichtigkeit bieten kann.
Kohlenstofffaser, umgewandelt in Carbon Paper, ist ebenfalls eine Lösung zur Herstellung der Kernkomponente von Brennstoffzellen, nämlich die Gasdiffusionsmembranen.
