Was sind CFK-Compounds und warum sind sie sinnvoll?

Kohlefaserverstärkte Polymere oder CFKs sind eine Klasse hochfester Verbundwerkstoffe mit sehr geringer Dichte, die in einer Vielzahl von Branchen Anwendung finden, darunter Ausrüstungen für Hochleistungssportarten bis hin zur Luft- und Raumfahrtindustrie. Obwohl der technische Name kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundstoffe lautet, bezeichnen die meisten Menschen diese Materialklasse einfach als Kohlenstofffaser .

Wie der Name schon sagt, bestehen diese Verbindungen aus einer Polymer- oder Kunststoffmatrix, die mit einem hochbeständigen Kohlefasergewebe verstärkt ist. Die endgültigen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs hängen sowohl von der Art des verwendeten Harzes als auch von den besonderen Eigenschaften der Fasern sowie von der Art und Weise ab, in der die Fasern in der Matrix verwoben sind, und von der Richtung, die sie im Material haben. Andererseits werden normalerweise verschiedene Additive hinzugefügt, um die Eigenschaften des resultierenden Teils weiter zu modifizieren.

Die polymere Matrix

Die Polymermatrix erfüllt die Funktion, die Kohlenstofffasern zusammen und in einer festen Position zu halten; es formt auch das herzustellende Teil.Dieses besteht fast immer aus einem wärmehärtenden Epoxidharz, obwohl es Fälle gibt, in denen stattdessen lufthärtende Harze oder ein thermoplastisches oder anderes Polymer verwendet werden.

Im Teileherstellungsprozess kann Epoxidharz auf unterschiedliche Weise eingebunden werden. In manchen Fällen werden Kohlefaserplatten bereits mit dem Harz getränkt, bevor sie übereinander gestapelt werden; In anderen Fällen werden Schichten aus ungehärtetem Harz aufgetragen, gefolgt von einer Kohlefaserplatte, dann einer weiteren Harzschicht und so weiter.

Kohlefasern

Herstellungsprozess von Carbonfasern

Das Herstellungsverfahren für Carbonfasern ist sehr ausgeklügelt. Im Wesentlichen besteht es darin, zunächst eine synthetische Polymerfaser, also einen Kunststoff, herzustellen und zu spinnen. Dieser kann in Form von Fasern hergestellt werden, entweder durch Schmelzen eines bereits synthetisierten Kunststoffs und anschließendes Strecken, während er noch heiß ist, oder durch Ziehen, während er polymerisiert. In jedem Fall ist das Endergebnis ein Polymerfaden aus Ketten mit Tausenden von Kohlenstoffatomen, plus Wasserstoff, Sauerstoff und möglicherweise einem anderen Element.

Sobald die Grundstruktur der Faser erreicht ist, ist der nächste Schritt die Karbonisierung des Materials, das heißt, alle anderen Atome der Struktur werden eliminiert. Dies wird im Allgemeinen durch Erhitzen der synthetischen Faserspulen auf eine hohe Temperatur erreicht, entweder unter Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre (dh in Abwesenheit von Sauerstoff).

Der Herstellungsprozess für diese Fasern ist von Hersteller zu Hersteller sehr unterschiedlich. Die Qualität sowie die chemischen und mechanischen Eigenschaften hängen in hohem Maße von der Synthese- und Herstellungsmethode sowie der Art und Weise ab, wie die Fasern bei der Herstellung der Platten, die später den Verbund bilden, miteinander verwoben werden. Aus diesem Grund sind Kohlefaserverbundwerkstoffe in unterschiedlichen Aufmachungen und mit sehr unterschiedlichen Preisklassen zu finden.

Laminat aus Kohlefasern

Kohlefasern können in die Kunststoffmatrix in Form von Lagen eingebracht werden, die unidirektionale Fasern enthalten, die strategisch orientiert sind, um das fertige Teil in bestimmten Richtungen zu verstärken. Der mechanische Widerstand der Fasern erfolgt grundsätzlich entlang ihrer Achse, will man also ein Teil herstellen, das gegen Biegung in verschiedene Richtungen beständig ist, müssen Fasern, die das Teil in diesen Richtungen durchziehen, unbedingt in das Material eingebracht werden.

Letzteres wird im Allgemeinen auf eine von zwei Arten erreicht. Die erste, die am wenigsten kostspielig ist, besteht darin, Blätter zu nehmen, in denen die Fasern alle in der gleichen Richtung orientiert sind, und sie in unterschiedlichen Orientierungen zu stapeln. Eine sehr gängige und effektive Wahl besteht darin, drei Blätter zu stapeln, die in Winkeln von 0°, +60° und -60° zueinander angeordnet sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine relativ gleichmäßige Festigkeit in alle Richtungen mit einem Minimum an Kohlefaserauflagen.

Eine weitere weit verbreitete Option, wenn auch viel teurer, ist die Verwendung von senkrecht gewebten Kohlefaserplatten, d. h. auf die gleiche Weise, wie Fäden gewebt werden, um ein Tuch herzustellen. Das Enthalten von Fasern in zwei senkrechten Richtungen stärkt das Material bereits in zwei Richtungen, aber die Webart fügt den großen Vorteil hinzu, dass die Tendenz der Blätter, sich voneinander zu trennen, drastisch reduziert wird, wenn das Material Spannung und Biegung ausgesetzt wird, was eine sehr häufige Art ist des Versagens bei dieser Art von laminierten Materialien.

Herstellung von Teilen mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus CFK-Compounds ;

Wie bereits erwähnt, werden die Teile durch Laminieren der Kohlefasern hergestellt, die mit einer Art Harz durchsetzt sind, aber die allgemeine Form des Teils wird durch Formen gegeben. Tatsächlich besteht der Herstellungsprozess darin, mit einer Harzschicht auf der Innenfläche der Form zu beginnen, dann eine von außen sichtbare Kohlefaserplatte aufzubringen, dann eine weitere Harzschicht und der Vorgang wird wiederholt.

Bei der Herstellung von Teilen, die keine besonders hohen Kräfte erfordern, reicht es in der Regel aus, die Formen zu pressen, während das Harz aushärtet, und in einigen Fällen wird es normalerweise auch erhitzt. Wenn es jedoch um kritische Teile geht, die eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit aufweisen müssen, wie Teile des Rumpfes eines Flugzeugs oder die Tragflächen eines Formel-1-Autos, müssen die Teile einem Vakuum ausgesetzt werden, um mögliche Blasen in der Struktur zu beseitigen ., die seine Leistung beeinträchtigen können.

Darüber hinaus werden die Teile in diesen Fällen normalerweise auch in einem Autoklaven getempert, um das Harz schneller auszuhärten. Diese Anforderung macht die Herstellung von Kohlefaserteilen sehr teuer; Ganz zu schweigen davon, dass Kohlefaserplatten bereits erheblich teuer sind.

Dieser Nachteil sowie einige andere, die mit der Leitfähigkeit des Materials und den mehreren Fehlermodi zusammenhängen, die während der Teiledesignphasen schwer zu modellieren sind, bedeuten, dass CFK-Verbundwerkstoffe in vielen Schlüsselanwendungen nicht ihr volles Potenzial ausschöpfen können. Ein Beispiel dafür war, als SpaceX seine Absicht aufgab, sein nächstes Flaggschiff, das Starship, aus Kohlefaser zu bauen. Es war einfach zu teuer und unpraktisch, einen Autoklaven zu bauen, der groß genug war, um die verschiedenen Komponenten des Raumfahrzeugs zu bauen, also entschieden sie sich, stattdessen Edelstahl zu verwenden, was in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine unorthodoxe Wahl ist.

Eigenschaften von CFK-Verbundwerkstoffen

Es gibt viele einzigartige Eigenschaften von CFK-Verbundwerkstoffen, die in einer Vielzahl von Anwendungen ausgenutzt werden. Einige von ihnen sind:

• Es ist ein sehr leichtes und sehr widerstandsfähiges Material. Es hat ein viel höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als Stahl und sogar Titan.
• Sie haben ein sehr hohes E-Modul-Gewichts-Verhältnis, ebenfalls höher als jedes Metall.
• Es ist ein Material mit hoher Ermüdungsbeständigkeit.
• Sowohl die polymere Matrix als auch die darin enthaltenen Kohlenstofffasern sind chemisch inert, was CFK-Verbundwerkstoffen eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit verleiht.
• Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist sehr gering, was dazu führt, dass Bauteile aus CFK-Verbundwerkstoffen beim Erhitzen oder Abkühlen kaum verziehen.
• Sie haben elektrische Leitfähigkeit. Graphit ist ein sehr guter Leiter und Kohlefasern sind im Wesentlichen Graphit, daher leiten Verbindungen, die sie enthalten, Strom, insbesondere in Richtung der Fasern. Je nach Anwendung kann dies sowohl gut als auch schlecht sein.

Neben diesen Eigenschaften besitzen CFK-Verbundwerkstoffe noch einige weitere Eigenschaften, die je nach Anwendung nachteilig sein können:

• Sie sind empfindlich gegenüber ultraviolettem (UV) Licht. UV-Licht kann eine Vielzahl chemischer Reaktionen durch freie Radikale fördern, die sowohl die meisten Polymerharze als auch Kohlenstofffasern abbauen und ihre mechanischen Eigenschaften zerstören. Dies wird normalerweise mit einer Farbschicht gelöst, die die Strahlung absorbiert, bevor sie die Verbindung erreicht.
• Generell haben CFK-Verbundwerkstoffe eine geringe Schlagzähigkeit.
• Wenn CFK-Verbundwerkstoffe an die Grenze ihrer Festigkeit gebracht werden, ist das Materialversagen oft katastrophal, weil die Kohlenstofffasern spröde sind. Zu den Ausfallarten gehören Delaminierung (wenn sich Faserschichten voneinander trennen) und Faserbruch.

Die Eigenschaften von CFK-Verbundwerkstoffen sind anisotrop.

Zu beachten ist, dass die meisten der oben genannten Eigenschaften von CFK-Verbundwerkstoffen anisotrop sind, also nicht im gesamten Material einheitlich sind und von der Messrichtung abhängen. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass sie aus geordneten Fasern bestehen, die genau definierten Richtungen folgen. Folglich unterscheiden sich die Eigenschaften des Materials entlang dieser Richtungen stark von den Eigenschaften entlang unterschiedlicher Richtungen.

So hat beispielsweise der Zugmodul eines CFK-Verbundwerkstoffs mit 70 % Kohlefasern in einem Epoxidharz einen Wert von nur 10,3 GPa in Richtung senkrecht zu den Fasern, während derselbe Modul in axialer oder Längsrichtung 181 GPa wert ist. Noch dramatischer ist der Unterschied bei der Zug- bzw. Zugfestigkeit, die in Querrichtung zu den Fasern einen Wert von 40 MPa aufweist, während er in Längsrichtung mit 1.500 MPa fast 40-mal höher liegt. Schließlich ist der Ausdehnungskoeffizient dieser Verbindung entlang der Fasern um das 112,5-fache geringer als in der senkrechten Richtung.

Häufige Anwendungen von CFK-Verbundwerkstoffen

Obwohl CFK-Verbundwerkstoffe in einer Vielzahl von High-End-Produkten verwendet werden (weil es ein viel teureres Material als die meisten anderen Optionen ist), werden CFK-Verbundwerkstoffe hauptsächlich in vier Branchen eingesetzt:

in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Das erste Mal, dass diese Verbindungen im Flugzeugbau verwendet wurden, war in den 1950er Jahren, und ihre Verwendung in der Industrie hat nur zugenommen. Die Flugzeugmodelle 767 und 777 von Boeing enthalten 3 % bzw. 7 % CFK-Compounds. In diesen Fällen wurden sie in einigen Strukturkomponenten verwendet. Andererseits sind im Fall des neuen Boeing 787 Dreamliner-Modells der gesamte Rumpf und die Flügel aus Kohlefaser hergestellt, und dieses Material macht 50 % des Gewichts und 80 % des Volumens des Flugzeugs aus; Dieser Trend ist auch bei anderen Flugzeugherstellern zu beobachten.

Auf der anderen Seite hat trotz der Tatsache, dass SpaceX Kohlefaser für sein Raumschiff aufgegeben hat, ein anderes privates Luft- und Raumfahrtunternehmen namens Rocket Lab gerade den Bau seiner neuen Rakete, der Neutron, angekündigt, die eine wiederverwendbare Rakete sein wird, die vollständig aus Kohlefaser besteht.

In der Automobilindustrie

Seit Jahren werden die schnellsten Rennwagen der Welt aus Kohlefaser gebaut. Dies ist nicht nur Teil des Äußeren, das das Hauptmaterial bildet, das die Karosserie und die Kotflügel bildet, die die Autos beim Beschleunigen am Boden festhalten, sondern auch im Fahrgestell. Tatsächlich bestehen zwischen 60 % und 70 % des Strukturgewichts eines McLaren-Formel-1-Autos aus Kohlefaser (Motor, Räder und Getriebe nicht mitgerechnet).

Bei Autos für den privaten Gebrauch verwenden nur die hochwertigsten Autos wie Luxussportwagen Kohlefaser in einem Teil ihrer Karosserie oder Struktur.

Marineindustrie

Sowohl ihr geringes Gewicht als auch ihre hohe Korrosionsbeständigkeit machen CFK-Verbundwerkstoffe ideal für den Bau von leichten und superschnellen Booten. Heute werden sie jedoch immer mehr beim Bau größerer Schiffe, einschließlich Yachten und Schiffen für den professionellen Einsatz, eingesetzt.

Neben der chemischen Beständigkeit, die weniger Wartung erfordert, ist die Gewichtsersparnis einer der Hauptgründe, warum dieses Material diese Branche durchdringt und andere Optionen wie Aluminium, Stahl und sogar andere Polymerverbindungen wie Glasfaser ersetzt.

Im Leistungssport

Eine der häufigsten und sichtbarsten Anwendungen von Kohlefaser im Sport ist die Konstruktion der Rahmen von Hochleistungsfahrrädern. Egal um welche Sparte des Radsports es sich handelt, ob Mountainbike, Downhill oder Rennrad für die Tour de France, die besten Fahrräder bestehen fast ausschließlich aus Kohlefaser.

Andererseits ist Kohlefaser auch allgegenwärtig in dünnen Strukturelementen, die sehr widerstandsfähig sein müssen, wie High-End-Golfschläger, Angelruten für Wettkämpfe, Tennisschläger und sogar Tischtennisschläger.

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