Warum Kohlefaser das Material der Zukunft ist

Kohlefaser entwickelt sich schnell zu einem der begehrtesten Materialien in der modernen Fertigung, von hochwertigen Fahrrädern bis hin zu modernster Elektronik.

Aber was genau ist Carbonfaser und warum ist sie so besonders? Wir werden uns damit beschäftigen, was Kohlefaser ist, welche einzigartigen Eigenschaften sie hat und wie sie verwendet wird. Am Ende werden Sie verstehen, warum Kohlefaser oft als das Material der Zukunft angesehen wird.

Was sind Kohlenstofffasern?

Kohlefaser ist eine Substanz, die aus feinen Fasern besteht, die sich aus Kohlenstoffatomen in einer kristallinen Form zusammensetzen. Die Kohlefaser wird häufig durch Erhitzen von so genannten Vorläufermaterialien wie Polyacrylnitril (PAN), Rayon und Petroleumpech bei sehr hohen Temperaturen unter Luftabschluss hergestellt. Das Verfahren wird als Pyrolyse bezeichnet und führt zur Entfernung von Nicht-Kohlenstoff-Material aus den Ausgangsstoffen, wodurch langkettige Kohlenstoffatome entstehen. Die so hergestellten Kohlenstofffasern sind sehr leicht und weisen hohe Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf.

Die Fasern werden in der Regel mit einem Harzmaterial wie Epoxidharz kombiniert, um einen Verbundwerkstoff herzustellen. Der Verbundwerkstoff wird häufig zur Herstellung leichter und robuster Strukturen verwendet. Die Verbundwerkstoffe sind formbar und werden in der Regel in verschiedenen Formen und Größen hergestellt, die für die jeweiligen Anwendungen erforderlich sind. Kohlenstofffasern werden wegen ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Wärmebeständigkeit geschätzt.

Was macht Kohlenstofffasern so besonders?

Die Attraktivität von Kohlenstofffasern beruht auf ihren zahlreichen Eigenschaften:

1. Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Kohlefaserwerkstoffe haben eines der besten Verhältnisse zwischen Festigkeit und Gewicht. Kohlefaserwerkstoffe sind fünfmal stärker als Stahl, aber leichter. Das bedeutet, dass Kohlefasermaterialien die gleiche oder sogar eine höhere Festigkeit als Stahl besitzen. Allerdings sind Kohlefaserwerkstoffe leichter als Stahl. Es ist sehr vorteilhaft, die gleiche Festigkeit bei geringerem Gewicht zu haben, denn dieser Aspekt kann für dieselben Branchen von großem Vorteil sein.

2. Steifigkeit

Kohlefasermaterialien sind auch extrem steif und widerstehen Druckeinwirkungen. Mit anderen Worten: Sie können sich unter Druck nicht nennenswert verbiegen oder durchbiegen. Diese Eigenschaft macht Kohlenstofffasern ideal für die Herstellung von Flugzeugflügeln oder anderen Sportgeräten wie Tennisschlägern und Golfschlägern. Zusätzlich zur Haltbarkeit behalten Kohlenstofffasern auch ihre Form, wenn sie unter Druck stehen.

3. Korrosionsbeständigkeit

Im Gegensatz zu Metallen besitzen Kohlenstofffasern die natürliche Eigenschaft, korrosionsbeständig zu sein. Dadurch eignen sie sich besonders für raue Bedingungen, bei denen das Material Wasser, chemischen Substanzen oder hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann. Kohlenstofffasern eignen sich zum Beispiel besonders gut für den Einsatz in Booten, wo sie nicht wie Stahl oder Aluminium oxidieren.

4. Thermische Stabilität

Kohlefaserverbundwerkstoffe werden durch hohe Temperaturen nicht beschädigt. Bestimmte Arten von Kohlenstofffasern können Temperaturen von über 300° C standhalten und werden daher häufig als Motorenteile eingesetzt. Dies gilt insbesondere für Automobile und Flugzeuge.

5. Vielseitigkeit

Das Material kann in komplexe Formen und Designs gebracht werden, eine Eigenschaft, die bei anderen Materialien nur schwer zu erreichen ist. Dies hat es zu einem sehr beliebten Material für verschiedene Branchen gemacht, von der Unterhaltungselektronik bis hin zur Luft- und Raumfahrtforschung.

Was sind die Verwendungsmöglichkeiten von Kohlefaser?

Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit und Haltbarkeit wird es in vielen Bereichen eingesetzt. Einige der bemerkenswertesten Anwendungen sind die folgenden:

1. Luft- und Raumfahrt und Luftfahrt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat die Anpassung von Kohlenstofffasern, die immer stärker nachgefragt werden, weitgehend genutzt. Flugzeughersteller haben Kohlefaserverbundwerkstoffe in vielen wichtigen Strukturteilen wie Flügeln, Rumpf und anderen verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und dadurch die Treibstoffeffizienz zu erhöhen. Dieses Material kann hohen Geschwindigkeiten, starkem Druck und extremen Temperaturen standhalten und ist daher perfekt für die Luftfahrt geeignet.

2. Autoindustrie

Kohlefasern finden in der Automobilindustrie immer breitere Anwendung, vor allem bei Hochleistungssportwagen und Elektrofahrzeugen. Das geringe Gewicht von Kohlenstofffasern verbessert den Kraftstoffverbrauch von Elektrofahrzeugen und steigert gleichzeitig die Leistung herkömmlicher benzinbetriebener Fahrzeuge, indem es das Gesamtgewicht reduziert.

3. Sportgeräte

Kohlenstofffasern finden auch breite Anwendung in der Herstellung von hochwertigen Sportgeräten wie Fahrrädern, Tennisschlägern und Golfschlägern. Die hohe Festigkeit in Verbindung mit dem geringen Gewicht macht Kohlefaser zum ultimativen Material für Sportler, bei denen es auf Geschwindigkeit und Präzision ankommt.

4. Medizinische Geräte

Im Gesundheitswesen wird Kohlefaser für die Herstellung von Prothesen, medizinischen Geräten und bildgebenden Geräten verwendet. Das liegt daran, dass sie leicht ist, was für die Patienten angenehm ist. Außerdem ist sie röntgendurchlässig.

5. Unterhaltungselektronik

Kohlenstofffasern finden zunehmend Anwendung in der Unterhaltungselektronik, z. B. in Smartphones, Laptops usw. Die Härte und das geringe Gewicht von Kohlenstofffasern sorgen für die erforderliche Härte und Tragbarkeit.

Kohlenstofffasern und andere Materialien

Betrachtet man Kohlenstofffasern neben anderen traditionellen Materialien wie Stahl, Aluminium und Kunststoffen, so zeigt sich, dass sie einige Vorteile haben. Hier ein Vergleich von Kohlenstofffasern mit einigen der anderen häufig verwendeten Materialien:

- Kohlefaser vs. Stahl: Kohlefaser ist vom Gewicht her anstrengender als Stahl und eignet sich am besten für Anwendungen, bei denen es auf Festigkeit ohne zusätzliches Gewicht ankommt. Stahl hingegen ist wirtschaftlicher und lässt sich in großem Maßstab herstellen. Kohlefaser ist zwar leistungsfähiger, aber teurer in der Herstellung und erfordert komplexere Fertigungsverfahren.

- Kohlefaser vs. Aluminium: Aluminium ist zwar leichter als Stahl, hat aber ein schlechteres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als Kohlefaser. Außerdem ist es anfälliger für Korrosion als Kohlefaser. Die Kosten sind zwar niedriger, aber Kohlefaser bietet eine bessere Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit.

- Kohlefaser vs. Kunststoff: Kunststoffe sind kostengünstig und leicht, aber im Vergleich zu Kohlefasern deutlich weniger stabil und weniger haltbar. Kohlefaserverbundwerkstoffe sind viel steifer, und ihre Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit erweitert ihre Einsatzmöglichkeiten auf anspruchsvollere Bedingungen. Weitere fortschrittliche Materialien und ihre Anwendungen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

1. Warum sind Kohlenstofffasern so teuer?
   Kohlenstofffasern sind aufgrund des komplexen und energieintensiven Herstellungsprozesses teuer. Die für die Herstellung von Kohlenstofffasern verwendeten Rohstoffe sind kostspielig, und der Produktionsprozess erfordert hohe Präzision, was zu den Gesamtkosten beiträgt.
2. Können Kohlenstofffasern recycelt werden?
   Ja, Kohlenstofffasern können recycelt werden, aber das Verfahren ist noch in der Entwicklung begriffen. Forscher arbeiten an der Entwicklung effizienterer Methoden für den Abbau und die Wiederverwendung von Kohlenstofffasern, was zu einer Verringerung der Kosten und der Umweltauswirkungen beitragen könnte.
3. Ist Kohlefaser stärker als Stahl?
   In Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist Kohlefaser stärker als Stahl. Stahl ist jedoch haltbarer und schneidet unter bestimmten Bedingungen besser ab, insbesondere in Bezug auf Zähigkeit und Schlagfestigkeit.
4. Wie lange hält Carbonfaser?
   Kohlefaser ist unglaublich haltbar und kann bei richtiger Pflege Jahrzehnte lang halten. Sie ist korrosionsbeständig, was ihre Lebensdauer in rauen Umgebungen verlängert.
5. Welche Umweltauswirkungen hat die Herstellung von Kohlenstofffasern?
   Die Herstellung von Kohlenstofffasern ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden und kann zu Kohlenstoffemissionen führen. Es werden jedoch Anstrengungen unternommen, um den Produktionsprozess nachhaltiger zu gestalten, unter anderem durch Recyclinginitiativen und verbesserte Herstellungsverfahren.