Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff


Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

Kohlenstofffasergewebe wie diese werden oft zur Herstellung von Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden verwendet

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff, englisch carbon-fiber-reinforced plastic, CFRP) oder umgangssprachlich nur Carbon (engl. für Kohlenstoff) genannt, bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet werden.

Die Matrix besteht meist aus Duromeren, zum Beispiel Epoxidharz, oder aus Thermoplasten. Für thermisch hochbelastete Bauteile (z. B. Bremsscheiben) kann die Kohlenstofffaser auch in einer Matrix aus Keramik (siehe keramische Faserverbundwerkstoffe) gebunden werden. In extrem hochbelasteten Sonderfällen wird zum Teil auch auf meist kurzfaserverstärkte Metalle, sogenannte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (engl. metal matrix composites, MMC), zurückgegriffen.

Beschreibung

Eigenschaften

Fasertyp: Kohlenstofffaser HT
Matrixtyp: Epoxidharz
Faservolumenanteil 60 %
Alle Werte sind typische
Durchschnittswerte

Grundelastizitätsgrößen
$ E_{\|} $ 140 000 N/mm2
$ E_{\perp} $ 12 000 N/mm2
$ G_{\perp\|} $ 5 800 N/mm2
$ G_{\perp\perp} $ 5 400 N/mm2
$ \nu_{\perp\|} $ 0,26
Dichte
$ \rho $ 1,5 g/cm3
Grundfestigkeiten
$ R^{+}_{\|} $ 2 000 N/mm2
$ R^{-}_{\|} $ 1 500 N/mm2
$ R^{+}_{\perp} $ 70 N/mm2
$ R^{-}_{\perp} $ 230 N/mm2
$ R_{\perp\|} $ 90 N/mm2
Wärmeausdehnungskoeffizienten
$ \alpha_{\|} $ 0,2·10−6 K−1
$ \alpha_{\perp} $ 30·10−6 K−1

Bei der Fertigung von CFK ist ein hoher Faservolumenanteil erwünscht, wobei Verunreinigungen, z. B. durch Luftbläschen, minimiert werden sollen. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) der Faser muss höher sein als der des Matrixwerkstoffes. Die Matrix muss auf der Faser haften, ansonsten versagen die Bauteile durch Faser-pull-out.

Die Festigkeit und Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials ist, wie bei allen Faser-Matrix-Verbunden, in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist die Festigkeit geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Bei Hochleistungskonstruktionsbauteilen werden die Faserrichtungen vom Konstrukteur anhand einer Computerberechnung (z. B. mithilfe der klassischen Laminattheorie) festgelegt, um die geplante Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen.

CFK wird verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau oder für Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Speedskates, Tennisschläger, Sportpfeile und Angelruten. Im Bauwesen wird CFK in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt, um Bauwerke zu verstärken.

Fertigungsverfahren

Kohlenstofffaser-Kunststoff-Rohre, im Hintergrund Kohlenstofffasergelege

Die Fertigungsverfahren entsprechen denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Dabei werden vor allem Verfahren eingesetzt, mit denen sich hochwertige Faserverbunde herstellen lassen (Prepreg im Press- oder Autoklavverfahren, Faserwickeln). CFK-Handlaminate kommen dagegen fast ausschließlich im Kleinserienbau und in der Einzelfertigung zur Anwendung.

Wenn als Kunststoffmatrix Phenolharz verwendet und die Matrix anschließend bei Temperaturen von 800–900 °C unter Schutzgas (Stickstoff) pyrolysiert wird, kann eine neue Werkstoffklasse, der kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff (engl. carbon-fiber-reinforced carbon, CRC bzw. CFRC), erschlossen werden. Phenolharz zeigt hierbei eine Kohlenstoffausbeute > 50 Gew.-%, wodurch eine poröse Carbonmatrix entsteht. Diese ist durch die Carbonfasern verstärkt. Durch wiederholtes Imprägnieren und Pyrolysieren mit Phenolharz oder anderen Materialien mit hoher Kohlenstoffausbeute, beispielsweise Flüssigpeche, kann der poröse Anteil gefüllt und die Kohlenstoffmatrix mit jeder Imprägnier- und Pyrolysestufe dichter gemacht werden.

Das Auffüllen der porösen Matrixstruktur kann auch über eine Gasphasenpyrolyse kohlenstoffhaltiger Gase erfolgen. Dieser Prozess ist jedoch langwieriger als der Flüssigphaseninfiltrationsprozess mit anschließender Pyrolyse.

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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