mini|hochkant=1.3|6 µm dicke Kohlenstofffaser im Vergleich zu einem 50 µm dicken Menschenhaar Kohlenstofffasern – im allgemeinen Sprachgebrauch auch verkürzt KohlefasernHans-J. Koslowski: Chemiefaser – Lexikon; 12., erweiterte Auflage. Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-87150-876-9, S. 118. oder (aus dem Englischen carbon fibers lehnübersetzt) Carbon- bzw. Karbonfasern genannt – sind industriell gefertigte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch an den Rohstoff angepasste chemische Reaktionen in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen: Isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung.
Die wichtigste Eigenschaft von Kohlenstofffasern als Versteifungskomponente für den Leichtbau ist der E-Modul; die E-Modulwerte der besten Fasern liegen nahe bei dem theoretischen E-Modul von Graphit in a-Richtung.
Eine Kohlenstoff-Faser oder auch -Filament hat einen Durchmesser von etwa 5–9 Mikrometer. Üblicherweise werden 1.000 bis 24.000 Filamente zu einem Multifilamentgarn (Roving) zusammengefasst, das aufgespult wird. Die Weiterverarbeitung zu textilen Halbzeugen wie z. B. Geweben, Geflechten oder Multiaxialgelegen erfolgt auf Webmaschinen, Flechtmaschinen oder Multiaxial-Wirkmaschinen bzw. im Bereich der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen direkt auf Prepreganlagen, Strangziehanlagen (Pultrusionsanlagen) oder Wickelmaschinen.
Als Kurzschnittfasern können sie Polymeren beigemischt und über Extruder- und Spritzgussanlagen zu Kunststoffbauteilen verarbeitet werden. Neben diesen Niederfilament-Typen gibt es auch sogenannte HT-Typen mit 120.000 bis 400.000 Einzelfasern, die hauptsächlich zu Kurzschnittfasern, aber auch zu textilen Gelegen verarbeitet werden. Es ist auch möglich, solche Heavy Tows mit Subtows, z. B. in der Form von siebenmal 60.000 Einzelfilamenten, herzustellen.
Die Fasern werden überwiegend zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK = C-Faser verstärkter Kunststoff) benutzt. Aus dem Englischen stammend wird auch die Abkürzung CFRP (amerikanisches ) benutzt.
Eigenschaften Typische Eigenschaften von HT-Kohlenstofffasern Dichte 1,8 g/cm³ Filamentdurchmesser 6 µm Zugfestigkeit 3530 MPa (N/mm²) Zug-E-Modul 230 GPa Bruchdehnung 1,5 %
Typische Eigenschaften von UMS-Kohlenstofffasern Dichte 1,8 g/cm³ Filamentdurchmesser 6 µm Zugfestigkeit 4560 MPa (N/mm²) Zug-E-Modul 395 GPa Bruchdehnung 1,1 % Elektronegativität (EN) χ 2,50
Kohlenstofffasern sind elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig, die Elektronegativität EN hat mit 2,50 einen sehr hohen Wert.Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie. Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2015, ISBN 978-3-11-035526-0, S. 133. Die Differenz zu Eisen (EN=1,64) ist mit 0,86 sehr hoch, was unter Vorhandensein eines Elektrolyten bereits erheblich korrosiv wirkt. Zum Vergleich ist die Differenz bei der Werkstoffpaarung Eisen zu Aluminium (EN=1,47) nur 0,17. Kohlenstofffasern haben zudem bei niedrigeren Temperaturen in Längsrichtung einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei Erwärmung werden sie deswegen anfangs kürzer und dicker.https://www.carbon-components.de/werkstoffe/faserverbund/
Aus den beiden vorgenannten Eigenschaften ergibt sich die zwingende Notwendigkeit, kohlefaserbasierte Bauteile von anderen metallischen Bauteilen sowohl mechanisch als auch elektrisch zu isolieren, wenn im Einsatzfall Temperaturschwankungen und Kontakt zu Außenluft, Wasser und im Besonderen zu Seewasser sowie anderen Elektrolyten (zum Beispiel Schmelzwasser mit Streusalz im Straßenverkehr) zu erwarten ist. Das Voranschreiten der Elektrokorrosion von Eisen, welches in direktem Kontakt zu Kohlefasern steht, ist unter einem geeigneten Elektrolyt hoch.
Spezifische Wärmekapazität: 710 J/(kg·K)Chokri Cherif (Hrsg.): Textile Werkstoffe für den Leichtbau – Techniken – Verfahren – Materialien – Eigenschaften. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4, S. 81. Wärmeleitfähigkeit: 5,4 – 800 W/(m·K)Anthony R. Bunsell (Hrsg.): Handbook of Properties of Textile and Technical Fibers. 2. Auflage. Elsevier Ltd. 2018, ISBN 978-0-08-101272-7, S. 843–845. Wärmeausdehnungskoeffizient: −1,0·10−6/K.Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Carbonfasern – Herstellung, Anwendung, Verarbeitung. Carl Hanser Verlag, München 2019, ISBN 978-3-446-45407-1, S. 47. Spezifischer elektrischer Widerstand: 1,6·10−5 Ohm·mwiki.r-g.de Faserverbundwerkstoffe (man beachte: 1 Ohmmeter = 100 Ohmzentimeter) (= 16 Ω · mm2/m)
Kohlenstofffasertypen:Konrad Bergmeister: Kohlenstofffasern im Konstruktiven Ingenieurbau. 2003, Ernst & Sohn, S. 39Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Carbonfasern – Herstellung, Anwendung, Verarbeitung.Hanser Verlag, München 2019, ISBN 978-3-446-45407-1, S. 54ff.
HT hochfest () UHT sehr hochfest () LM Low Modulus IM intermediate () HM hochsteif () UM () UHM () UMS () HMS hochsteif/hochfest ()
Das Spektrum der Eigenschaften ist entsprechend dieser Liste breit: die verfügbaren Zugfestigkeiten liegen im Bereich von etwa 3500 MPa bis 7000 MPa, die Zug-Steifigkeiten zwischen 230 GPa und fast 600 GPa und die Bruchdehnungen liegen bei hohen Steifigkeiten teils unter 1 %, während sie bei niedrigen Steifigkeiten verbunden mit höheren Festigkeiten bis zu 2 % betragen können.Bernd Clauß: Fibers for Ceramic Matrix Composites in Ceramic Matrix Composites, Fiber Reinforced Ceramics and their Applications. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ed. Walter Krenkel, ISBN 978-3-527-31361-7, S. 1ff.
Herstellung Thomas Alva Edison erhielt bereits 1881 ein Patent für die von ihm entwickelte Kohlenstofffaserglühlampe mit Glühfäden aus pyrolysierten Bambusfasern.
Ein großer Schritt gelang 1963 mit der Herstellung von Fasern mit gerichteten Kristallstrukturen im englischen Royal Aircraft Establishment.
mini|450px|Herstellungsverfahren auf Basis von Polyacrylnitril:Typ III: IM-Faser und Typ II: HT-FaserTyp I: HM-Faser Kohlenstofffasern werden aus organischen Ausgangsmaterialien hergestellt. Es kommen in erster Linie solche Verbindungen in Frage, die sich zunächst in eine unschmelzbare Zwischenstufe umwandeln lassen und anschließend unter Formerhalt in einem Pyrolyseprozess zum Kohlenstoff carbonisiert werden können. Durch Verstreckung (Anlegen einer Zugspannung) bei diesem Temperaturbehandlungsschritt lässt sich die Orientierung der atomaren Struktur in den Fasern so verändern, dass bei der Carbonisierung höhere Festigkeiten und Steifigkeiten der Fasern erreicht werden.
Bei dieser Carbonisierungsbehandlung werden alle Elemente bis auf den Hauptanteil Kohlenstoff gasförmig abgespalten. Der relative Kohlenstoffanteil steigt mit zunehmender Temperatur, die üblicherweise im Bereich von 1300 bis 1500 °C liegt. Damit wird ein Kohlenstoffanteil von 96 bis 98 Gewichtsprozenten erreicht.
Von Graphitierung spricht man oberhalb 1800 °C. Hierbei wird vor allem die Struktur der graphitischen Kohlenstoffschichten mehr und mehr perfektioniert. Der Schichtebenenabstand zwischen diesen Kohlenstoffschichten bleibt jedoch über dem vom eigentlichen Graphit bekannten Wert. Deshalb ist der im englischen Sprachraum übliche Begriff „“ streng genommen nicht korrekt. Dies gilt auch für die im deutschen Sprachraum verwendeten Begriffe „Graphitfaser“ und „Kohlefaser“.
Durch die Glühbehandlung steigt der E-Modul wegen der Strukturannäherung an das Graphit-Gitter, die Festigkeit vermindert sich dadurch jedoch.
Die Strukturvielfalt der Fasern mit der großen Bandbreite an Eigenschaften resultiert aus der über die Herstellparameter steuerbaren Anisotropie der graphitischen Schichten. Bei Endlosfasern erreicht man je nach Fasertyp nahezu den theoretischen Steifigkeitswert, jedoch üblicherweise nur 2–4 % der theoretischen Festigkeit. Bei Fasern, die abweichend von der oben beschriebenen Methode aus der Gasphase abgeschieden werden (sogenannte Whisker mit sehr kurzer Länge), sind deutlich höhere Festigkeiten erreichbar.
Es gibt heute drei etablierte Ausgangsmaterialien für Endlosfasern aus Kohlenstoff:
Rayon/Viskose (Cellulose) Die auf Cellulosebasis über das Viskoseverfahren hergestellten Viskosefasern sind hier das Ausgangsmaterial für die Kohlenstofffasern. Diese zeigen aufgrund des Ausgangsmaterials keine perfekte Kohlenstoffstruktur. Sie haben damit eine vergleichsweise niedrige thermische und elektrische Leitfähigkeit. (In der Verwendung als Glühfaden war der hohe ohmsche Widerstand allerdings günstig.) Sie werden deshalb überwiegend als (unter Luft/Sauerstoffabschluss) thermisch hochbelastbare Isolierwerkstoffe eingesetzt, zum Beispiel im Ofenbau.
Polyacrylnitril (PAN) Der größte Teil der heute gebräuchlichen Hochleistungsfasern (HT/IM) wird durch Stabilisierungsreaktionen an Luft und anschließende Pyrolyse unter Schutzgas aus Polyacrylnitril gefertigt. abgerufen am 29. Dezember 2017 Ihr wesentliches Merkmal ist die hohe Zugfestigkeit. Man unterscheidet Niederfilament- und Multifilamentgarne (). Bei letzteren werden die günstigeren Fertigungstechnologien der Textilindustrie genutzt, daher sind sie am kostengünstigsten.
links|500px|Umwandlung von PAN-Fasern in Kohlenstofffasern
Pech (unterschiedlicher Herkunft) Pech ist als Ausgangsstoff wesentlich billiger als PAN, aber die Reinigungs- und Aufbereitungskosten sind so hoch, dass Fasern aus PAN nach wie vor preiswerter sind.
Wird das Pech lediglich geschmolzen, versponnen und carbonisiert, erhält man isotrope Kohlenstofffasern mit geringeren Festigkeitswerten. Erst die Überführung in die sogenannte Mesophase durch eine Hydrierungsbehandlung erlaubt eine Orientierung der Kohlenstoff-Netzebenen entlang der Faserachse durch Verstreckung während des Herstellprozesses.
Dies erlaubt dann auch die Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit (HM). Bei gleichzeitiger hoher Zugfestigkeit (HMS) werden diese Fasern aus Kostengründen nur in Spezialanwendungen eingesetzt.
Weiterverarbeitung Zur Weiterverarbeitung werden die Fasern zu sogenannten Filamentgarnen zusammengefasst. Gängig sind hier die Typen mit 67 tex (1 K), 200 tex (3 K), 400 tex (6 K), 800 tex (12 K) und 1600 tex (24 K), Rovings mit einer Filamentenzahl von mehr als 24 K, z. B. 50 K, 100 K oder 400 K bezeichnet man als Heavy Tows. Die Angabe 200 tex steht dabei für ein Gewicht von (200 g)/(1000 m) und 1 K bedeutet, dass 1000 Filamente zu einem Garn zusammengefasst sind.Hauke Lengsfeld, Hendrik Mainka, Volker Altstädt: Carbonfasern – Herstellung, Anwendung, Verarbeitung. Hanser Verlag, München 2019, ISBN 978-3-446-45407-1, S. 52.
Die gröberen Garne (bei Textilglas „Rovings“ genannt) kommen beispielsweise als Verstärkungsfasern für Flächengebilde zum Einsatz. Im Flugzeugbau werden mit Harz vorimprägnierte Garnscharen oder Gewebe, die sogenannten Prepregs, mit geringem oder mittlerem Flächengewicht verwendet. Das gängigste im Automobilbau verwendete Produkt ist ein multiaxiales Flächengebilde.
Anwendung mini|Kohlenstofffaser-Gewebe mini|Kohlenstofffaser-Rohre, im Hintergrund Kohlenstofffaser-Gelege mini|Kohlenstofffaser-Wickelmuster im Carbon Obelisk der Emscherkunst.2010 Um die mechanischen Eigenschaften der Fasern nutzen zu können, werden sie bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunden, und seit einiger Zeit auch bei keramischen Faserverbundwerkstoffen weiterverarbeitet. Dabei nimmt die Bedeutung der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe im Hochleistungsmaschinenbau seit einigen Jahren deutlich zu, bereits vorher kamen sie im Flugzeugbau zur Anwendung. Im allgemeinen Sprachgebrauch, insbesondere bei Sportgeräten aller Sportarten, stehen Begriffe wie Carbon, Graphit(e) und Kohlenstofffaser typischerweise für Kohlenstofffaser-verstärkte duromere Kunststoffe.