Kohlefasern (Carbon)

Bedarf an CFK¹⁾ (nach AVK, 2016)

¹⁾in tausend Tonnen nach Anwendungen

Theoretische jährliche Kapazitäten für die Herstellung von Kohlenstoff-Fasern (nach AVK, 2016)

Composite Marktbericht der AVK

Der globale CFK-Markt 2016
Der GFK-Markt Europa 2016

Kohlenstofffasern (Geschichte der Carbonfasern)

Einen sehr guten, komprimierten Überblick finden Sie in dem nachstehenden PDF:

Kohlenstoff-Fasern

von Dr. Bernd Wohlmann, Toho Tenax Europe GmbH

PDF hier: Datei:AVK Kohlenstoff-Fasern.pdf

Veröffentlich 2009, 3. Auflage
AVK - Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V.
"Handbuch Faserverbundkunststoffe - Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen"

Wiedergabe im R&G Composite-Wiki mit freundlicher Genehmigung der AVK

Inhalt
1. Geschichte der Kohlenstoff-Faser
2. Herstellung von Kohlenstoff-Fasern
3. Struktur und Oberflächeneigenschaften
4. Präparationen
5. Eigenschaften/Verarbeitung/Anwendungen
6. Entwicklungstendenzen
7. Übersichtsliteratur

Einführung

Kohlenstofffasern wurden (als Glühlampendraht) erstmals im 19. Jahrhundert durch Verkokung von Kunstseide erzeugt.

Erst viel später, gegen Ende der 60er Jahre, kamen Kohlenstoff-Verstärkungsfasern in geringen Mengen und zu hohen Preisen (um 1.500 €/kg) auf den Markt. Zunächst waren lediglich Rovings (endlose Faserstränge) verfügbar, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wurden. Seit etwa 1975 werden Kohlenstofffasern weltweit in industriellem Maßstab gefertigt und zu vielfältigen textilen Verstärkungsmaterialien verarbeitet.

Tenax®

Tenax® ist eine aus Polyacrylnitril (PAN) Precursor hergestellte Hochleistungs-Kohlenstofffaser, die sich durch hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und niedrige Dichte auszeichnet. Seit 10 - 15 Jahren wird die Kohlenstofffaser in wachsendem Umfang in Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen eingesetzt. Dieser moderne Werkstoff wird mittlerweile in vielen Industriezweigen, wie z.B. der Luftfahrtindustrie, dem Maschinenbau, der Automobilindustrie, dem Schiffbau, der Medizintechnik, der Windenergie, der Off-Shore- und nicht zuletzt der Sportartikelindustrie eingesetzt.
Die Tenax® Kohlenstofffaser hat durch ihre bewährten Eigenschaften im Verbundwerkstoff in Verbindung mit einem äußerst kundenorientierten kommerziellen und technischen Service eine führende Marktposition in Europa erobern können.

Das R&G Lieferprogramm

Kohlegewebe, - gelege, rovings, -bänder, -schläuche, -schnitzel

Eigenschaften von Carbon (Kohlefaser)

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

Chemisch inert
Nicht korrosiv
Hohe Beständigkeit gegen Säuren, Alkalien und organische Lösungsmittel

Chemisch sehr inert, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber den meisten Säuren, Alkalien und Lösungsmitteln. Kohlenstofffasern nehmen praktisch kein Wasser auf.

Thermische Eigenschaften

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

Geringe Röntgenstrahlenabsorption
Nicht magnetisch

Elektrische Eigenschaften

Gute elektrische Leitfähigkeit

Vergleichswerte verschiedener Werkstoffe im Bezug zu CFK

Werkstoff	Einheit	Kiefernholz	Dural-Alu	Titan	Stahl	GFK^*	CFK^*
Dichte	g/cm³	0,5	2,8	4,5	7,8	2,1	1,5
Zugfestigkeit	MPa	100	350	800	1100	720	900
E-Modul	MPa	12000	75000	110000	210000	30000	88000
Spez. Festigkeit Reißlänge	km	20	13	18	14	34	60
Spez. E-Modul	km	2400	2700	2400	2700	1400	5900

GFK/CFK = quasiisotrope Laminate, nahezu gleiche Festigkeit in jede Richtung

Bei Leichtbauteilen entscheidet eine mit herkömmlichen Werkstoffen vergleichbare Festigkeit bei geringerem Gewicht über die Verwendung.
Bei gleichem Gewicht hat CFK (Carbon Gewebe) die fünffache Zugfestigkeit und Steifigkeit von Stahl. 1 kg CFK kann 5 kg Stahl ersetzen.

Herstellung der Kohlefaser

Kohlefaser bestehen zu über 95 % aus reinem Kohlenstoff.

Elementarer, reiner Kohlenstoff, kommt in der Natur in Form von Graphit oder Diamant vor, ist unlöslich und unschmelzbar und scheidet daher als Rohstoff zur Kohlefaser Produktion aus.

Kohlenstofffasern entstehen durch Pyrolyse (Verkokung) nicht schmelzbarer Kohlenstoff-Polymerfäden. Das technisch bedeutsamste Verfahren ist das Verkoken von Polyacrylnitril.
Die Ausgangsfäden (Precursor genannt) enthalten eine durchgehende Kohlenstoffkette (-C-C-C-C-C-C-).

Nach dem Spinnen der PAN-Faser werden die verknäuelten Polymerketten durch Verstrecken zur Faserrichtung ausgerichtet.

Die Umwandlung zur Kohlenstofffaser erfolgt in drei Stufen:

Die Voroxidation findet in O₂-haltiger Atmosphäre bei 200 - 300 °C statt, wobei die Faser unter Vorspannung gehalten wird
Die Pyrolyse (Carbonisierung) erfolgt bei 800 - 1500 °C unter Inertgasatmosphäre
Anschließend ist noch eine Hochtemperaturbehandlung bei 2000 - 3000 °C möglich

Temperaturhöhe und Vorspannung bestimmen die Eigenschaften, da hiervon ein maßgeblicher Einfluß auf den Orientierungsgrad der C-Ketten ausgeht.

Die Faseroberfläche ist sehr groß: bei einem Faserdurchmesser von 7 µm und einem Faservolumenanteil von 50 % ergibt sich für 1 cm³ Laminat eine rechnerische Faseroberfläche von 2800 cm².

REM-Aufnahme der Bruchstücke von Elementarfäden aus Kohlefaser UMS (Foto: R&G)

Gängige Fasertypen

Tenax® HTA und Tenax® HTS (High Tenacity) sind die klassischen Hochleistungskohlenstofffaser-Typen. Diese High Tenacity-Fasern liefern exzellente und ausgewogene mechanische Laminateigenschaften.

Tenax® STS ist eine spezielle Type für moderne Industrieanwendungen, hat die mechanischen Eigenschaften einer High Tenacity-Faser und lässt sich in allen herkömmlichen Prozessen weiterverarbeiten.

Tenax® UTS (Ultra High Tenacity) ist eine Faser für Anwendungen mit speziellen Anforderungen an höhere Festigkeit und erhöhte Bruchdehnung.

Tenax® IMS (Intermediate Modulus) ist für Anwendungen geeignet, die eine höhere Steifigkeit bei gleichzeitig erhöhter Zugfestigkeit erfordern.

Tenax® UMS (High Modulus) ist für Anwendungen geeignet, die eine überlegene Steifigkeit für die Leistungsfähigkeit des Bauteils erfordern.

Filamentgarn TENAX® HTA und HTS

Dies ist die klassische Tenax® Hochleistungskohlenstofffaser-Type. Seit Anfang der achtziger Jahre hat sich dieTenax® HTA Faser einen Namen in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen in der Luftfahrt- und Freizeitindustrie gemacht.
Diese „High Tenacity“ (HT) Faser liefert exzellente und ausgewogene mechanische Laminateigenschaften unter Zug- und Druckbeanspruchung.

Nicht umsonst war die Tenax® HTA Kohlenstofffasertype eine der ersten Kohlenstoffasern, die in der zivilen Luftfahrt eingesetzt wurde. Wie zum Beispiel für das Höhen- und Seitenleitwerk, Fußboden, Ruder und Klappen, Triebwerksabdeckungen
und anderen Bauteile im Airbus. Weitere bedeutende Anwendungen der Tenax® HTA Faser sind in der Herstellung von Bauteilen für Helikopter und modernen Segelflugzeugen.

Die Tenax® HTS Faser ist eine weiterentwickelte HT-Faser Variante mit erhöhten mechanischen Eigenschaften und erhöhter Anzahl an Filamenten (12k und 24k). Ansonsten bietet die Tenax® HTS Faser ein ebenso gutes Eigenschaftsprofil wie die guteingeführte Tenax® HTA Faser.

Eigenschaften Filamentgarn Tenax® HTA40 (Richtwerte)	Einheit	Wert
Dichte	g/cm³ bei 20 °C	1,77
Zugfestigkeit	MPa	4100 (HTS 4300)
Zug-E-Modul	GPa	240
Bruchdehnung	%	1,7
Spezifische Wärmekapazität	(J/kg•K)	710
Wärmeleitzahl	(W/m•K)	17
Wärmeausdehnungskoeffizient	(10^-6 K^-1)	- 0,1
Spez. elektrischer Widerstand	(Ω•cm)	1,6 • 10^-3

Filamentgarn TENAX® UMS40

Die TENAX® UMS40 High modulus-Faser (HM) ist für Anwendungen geeignet, wo eine überlegene Steifigkeit erforderlich für die Leistungsfähigkeit des Bauteils ist. Vor allem Konstruktionen wie Satellitenstrukturen, Antennen oder Wellen
und Walzen erfordern die außergewöhnlichen Eigenschaften der Tenax® UMS Fasern. Aber auch Sportgeräte wie Angelruten und Bootsmasten können erst mit Hilfe der Tenax® UMS Faser ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten.

Eigenschaften Filamentgarn TENAX® UMS40 (Richtwerte)	Einheit	Wert
Dichte	g/cm³ bei 20 °C	1,79
Zugfestigkeit	MPa	4700
Zug-E-Modul	GPa	390
Bruchdehnung	%	1,2

Filamentgarn TORAYCA® T300 / T300J

Dies ist die klassische Torayca® Hochleistungskohlenstofffaser-Type.

Eigenschaften Filamentgarn TORAYCA® T300/T300J (Richtwerte)	Einheit	Wert
Dichte	g/cm³ bei 20 °C	1,76/1,78
Zugfestigkeit	MPa	3530/4210
Zug-E-Modul	GPa	230
Bruchdehnung	%	1,5/1,8

AKSACA™ A-42

Eigenschaften Filamentgarn AKSACA™ A-42 (Richtwerte)	Einheit	Wert
Dichte	g/cm³ bei 20 °C	1,78
Zugfestigkeit	MPa	4200
Zug-E-Modul	GPa	240
Bruchdehnung	%	1,8

PYROFIL™ TR50S

Eigenschaften Filamentgarn PYROFIL™ TR50S (Richtwerte)	Einheit	Wert
Dichte	g/cm³ bei 20 °C	1,82
Zugfestigkeit	MPa	4900
Zug-E-Modul	GPa	240
Bruchdehnung	%	2,0

Festigkeitswerte gängiger Kohlefaser

Vergleichsdaten im Überblick Datei:Td de Vergleichsdaten Kohlenstofffasern .pdf

Fadenkonstruktion bei Kohlefasern

1k = 1000 Filamente pro Faden
3k = 3000 Filamente pro Faden
6k = 6000 Filamente pro Faden

1k wird z.B. verwendet für Kohlegewebe 93 g/m², 3k für Kohlegewebe mit 160, 204, 245 g/m² Flächengewicht.

Die Verarbeitung

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.

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.

Spezifikation

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.

Fehlerklassifizierung

Hybridgewebe / 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, Kohlenstoff/Glas und Kohlenstoff/Dyneema^®.

Eigenschaften von Mischfasergeweben

Hybridwerkstoffe	gegenüber CFK allein	gegenüber AFK allein	gegenüber GFK allein
CFK / AFK	verbesserte Schlagzähigkeit	höhere Druckfestigkeit	---
CFK / GFK	verbesserte Schlagzähigkeit	---	geringeres Gewicht höhere Steifigkeit
AFK / GFK	---	höhere Druckfestigkeit	geringeres Gewicht höhere Steifigkeit

CFK = Carbonfaserverstärkter Kunststoff, GFK = Glasfaserverstärkter Kunststoff, AFK = Aramidfaserverstärkter Kunststoff

Haftvermittler

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

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.

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

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

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

Ökologie

Werkstoff	Dichte g/cm³	Öltonnenäquivalent für Rohmaterial	Öltonnenäquivalent für Umwandlung	Öltonnenäquivalent für den Werkstoff	Energiepreis KJ pro cm³ Werkstoff
Aluminium	2,7	---	5,6	5,6	665
Stahl	7,8	---	1,0	1,0	385
Kunstharze/Polymere	1,1	1,3	1,88	3,18	150
Glasfaser	2,6	---	0,45	0,45	50
Kohlefaser (PAN-Basis)	1,8	3,0	3,6	6,6	525
GFK (60 Vol.-% Faser)	2,0	0,52	1,02	1,54	134
CFK (60 Vol.-% Faser)	1,6	2,32	2,55	4,87	365