KOHLEFASER

Was sind Karbonfasern?

Kohlefaser (oder auch Karbonfaser – aus dem Englischen carbon fibre) ist ein Gewebe, das Kohlenstoff in seinen verschiedensten Modifikationen enthält.  Die Karbonfaser ist eine lange und dünne Materialfaser im Durchmesser von 5-8 μm. Sie besteht überwiegend aus Kohlenstoffatomen und findet in der Produktion fester und widerstandsfähiger Gewebe für verschiedenste Branchen ihre Verwendung.

Die Kohlenstoffatome sind in parallel zur langen Faserachse orientierten Kristallen gebündelt. Dank dieser Anordnung der mikroskopischen Kristalle zeichnet sich die Kohlefaser trotz ihrer äußerst geringen Dicke durch eine sehr große Festigkeit aus.

Karbonfasern und ihre Verwendung

ie absolute Mehrheit der Produktion von Karbonfasern wird zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen eingesetzt. Kohlefasern finden auch in vielen Industriebranchen, wie der Produktion von Sportartikeln bis hin zur Luftfahrtproduktion Verwendung.

Karbonfasern – Verwendungsbeispiele:

• Luftfahrt – Rumpf und Flügel von Flugzeugen aus Karbonfasern
• Windgeneratoren – aus Kohlefasern sind z.B. Rotoren, ggf. Offshore Plattformen
• Verbundwerkstoffe verschiedener Art – Militär- und Zivilschifffahrt, Gasbehälter, usw.
• Sportindustrie – Boote, Golfschläger, Ski, Darts und weitere Sportartikel, deren Bestandteil auch Karbonfasern sind
• Automobilindustrie – Kohlefasern werden z.B. für Stoßstangen und Karosserieteile verwendet

Herstellung des Karbongewebes Schritt für Schritt

1. Herstellung des Ausgangsstoffes – Bearbeitung des Ausgangsmaterials entweder mithilfe von Schmelzspinnen, oder (durch das Eintauchen) in einer Säure.  Die Struktur des Ausgangsstoffes wirkt sich auf die Struktur und Festigkeit der Kohlefasern aus. Die Kohlefasern werden anschließend auf die gewünschte Feinheit verstreckt.
   
   
2. Stabilisierung – vor der Karbonisation ist es nötig, dass aus den langen Kohlefasern eine wärmestabile vernetzte Struktur entsteht. Dies geschieht indem bei relativ niedrigen Temperaturen von 200 – 450 °C 20-30 Minuten lang Luft zugeführt wird. Dies wiederum bewirkt, dass die Kohlefaser Sauerstoffmoleküle aus der Luft aufnimmt, wodurch es zu einer Umstrukturierung der Atomstruktur der Faser kommt. Bei der Stabilisierung entsteht in der Faser auch eigene Wärme, die kontrolliert werden muss, um ein Überhitzen zu verhindern. In der Praxis werden die Fasern in einer Reihe von Wärmekammern verstreckt oder die Kohlefasern laufen über erhitzte Spulen und loses Material, das überschüssige Wärme ableitet.
   
   
3. Karbonisation – der Ausgangsstoff wird zur Kohlefaser. Dieser Prozess läuft in einer inerten Atmosphäre ab (gewöhnlich Stickstoff), bei Temperaturen zwischen 1000 °C – 2000 °C. Ohne Zufuhr von Sauerstoff kann die Kohlefaser nicht brennen. Stattdessen bewirkt die hohe Temperatur, dass die Atome in der Faser in Schwingung versetzt werden, sodass die Mehrheit der Nicht-Kohlenstoffatome beseitigt werden. Das Ergebnis ist eine Faser, die 85 – 95 % Kohlenstoff enthält.
   
   
4. Grafitieren – muss nicht durchgeführt werden, aber falls es dazu kommt, entstehen sogenannte Grafitfasern. Dieser Prozess wird in einer inerten Atmosphäre durchgeführt, bei Temperaturen zwischen 2400 – 3000 °C. Der Kohlenstoffgehalt steigt auf ca. 99 % und mehr. Zudem entsteht eine gleichmäßig angeordnete geschichtete Struktur.
   
   
5. Oberflächenbearbeitung – Die Oberflächenstruktur der Kohlefaser bindet Epoxide und andere in Verbundmaterialien verwendete Stoffe nicht gut. Deshalb wird die Oberfläche der Faser leicht oxidiert. Die Beimengung von Sauerstoffatomen in die Oberflächenstruktur ermöglicht eine bessere Haftung weiterer Stoffe und Vergröberung der Oberfläche für eine bessere mechanische Verbindung mit diesen Stoffen. Die Oxydation kann mithilfe einer Gaszufuhr, z.B. von Luft, Kohlendioxid oder Ozon erfolgen, oder durch das Eintauchen in Flüssigkeiten wie Natriumhypochlorit oder Salpetersäure. Die Kohlefasern können auch mit einer Schutzschicht gegen Beschädigung bei einer möglichen weiteren Verarbeitung versehen werden.