Kohlefaserqualitäten: Verbundwerkstoffe mit mittlerem und hohem Modul

In Konstruktion und Fertigung zählt Kohlefaser zu den wichtigsten Werkstoffen mit dem besten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es ist allgemein bekannt, dass fast alle Produkte aus Kohlefaser eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen und weniger Energie verbrauchen. Bei der Verarbeitung von Kohlefasern werden die Eigenschaften der Faser selbst und ihre Bindung oder Mischung mit anderen Werkstoffen wie Gummi aufgrund der ungünstigen Zugfestigkeit berücksichtigt. Dazu gehören Kohlefasern mit Standardmodul und Kohlefasern mit hohem Modul. Sie verleihen anderen Abschnitten unterschiedliche Steifigkeit, Festigkeit oder Flexibilität, weshalb es keine Einheitslösung für alle Anwendungen gibt. Wer die Materialunterschiede nicht kennt, da diese beispielsweise bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeitsrennwagen helfen, ist von Nachteil. Dieser Text erläutert die Unterschiede zwischen Kohlefasern mit Standardmodul und Kohlefasern mit superhohem Modul und enthält einige Anwendungsbeispiele.

Was ist Standardmodul-Kohlefaser?

Der am weitesten verbreitete Kohlenstofffasertyp ist die Standardmodul-Kohlefaser, die sich aufgrund ihrer ausgewogenen Festigkeit, Elastizität und Kosten durchsetzt. Die Zugfestigkeit dieser Fasern liegt zwischen 33 und 34 msi und ist damit hoch, weshalb sie für viele anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind. Diese Art von Kohlefaser eignet sich optimal für Materialien, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Eine übermäßige Steifheit der Fasern ist jedoch nicht erforderlich. Sie eignen sich am besten für Sportartikel, Teile für die Luft- und Raumfahrt sowie branchenübergreifende Anwendungen. Die möglichen Variationen der Standardmodul-Kohlefaser und die kostengünstige Herstellung machen sie für vielfältige Anwendungen geeignet.

Definition von Standardmodul-Kohlefaser

Standardmodul-Kohlefaser ist eine der vielseitigsten Kohlefasersorten, wenn Festigkeit, Kosten und Flexibilität perfekt vereint werden sollen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Kohlefaserarten ist sie die am weitesten verbreitete und weist einen Zugmodul im Bereich von 33–34 GPa auf. Ihre hohe Zugfestigkeit und der relativ niedrige Modulwert machen sie ideal für Anwendungen, bei denen Dehnung und Beanspruchung erwartet werden, aber keine schmerzenden Scharniere entstehen sollen. Die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, der Sport und das Bauwesen nutzen die Eigenschaften von Standardmodul-Kohlefaser, um Komponenten zu entwickeln, die unter Belastung standhalten oder funktionieren und gleichzeitig kostengünstig und leicht in Massenproduktion hergestellt werden können. Zu diesen Anwendungen gehören zusätzliche Kraftstofftankstrukturen in der Automobilindustrie und verschleißfeste Lösungen für die Schifffahrt, die aktuell benötigt werden. Diese spezielle Kohlefasersorte erfreut sich industrieller Akzeptanz, da sie sich als leicht verfügbar und leistungsstark erwiesen hat und somit ein wichtiges Material für den Fortschritt in Technik und Produktion darstellt.

Anwendungen von Standardmodul-Kohlefasern

• Luft- und Raumfahrt

Beispielsweise wird Kohlenstofffaser mit Standardmodul in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig zur Herstellung von Rumpfteilen für Flugzeuge verwendet, darunter Griffe, Flügel usw. Der Grund hierfür ist, dass die Faser aufgrund ihres geringen Gewichts den Treibstoffverbrauch senken kann, während die Strukturen auch unter extremer Belastung ihre Stabilität behalten.

• Automobilindustrie

Autoteile bestehen aus Materialien wie Standard-Kohlefaser, um eine leichte Karosserie zu formen oder das Chassis selbst von Hochleistungssportwagen zu verbauen. Darüber hinaus erhöht die verbesserte Kraftstoffzuverlässigkeit auch unsere Geschwindigkeit und Sicherheit.

• Sport

Darüber hinaus ermöglicht die leichte Qualität den Einsatz von Standardmodul-Kohlefaser in Sportprodukten wie Tennisschlägern, Golfschlägern und Fahrradrahmen. Ihre Vielseitigkeit in Bezug auf Haptik, Steifigkeit und Dichte ist für Sportler und Berufstätige in der Sportbranche eine große Hilfe.

• Konstruierbarkeit

Die Materialeigenschaften ermöglichen die Verstärkung von Betonkonstruktionen oder die Herstellung von Konstruktionselementen mit extrem hoher Festigkeit. Carbonfasern werden beim Bau solcher Strukturen eingesetzt, um Brücken und andere kritische Bauteile zu verstärken.

• Marine

Auch Bootsdecks und andere maritime Strukturen profitieren stark von der Verwendung von Standardmodul-Kohlefaser für Rümpfe und Masten. Ihre Eignung im maritimen Bereich ist unbestritten, da sie nicht leicht korrodiert und somit salz- und wasserbeständig ist.

Vergleich von Standardmodul- und Hochmodul-Kohlefaser

Standard-Kohlefaser zeichnet sich durch relativ geringe Steifigkeit und Festigkeit, hohe Flexibilität und unglaubliche Vielseitigkeit aus. Hochmodulige Faserverbundwerkstoffe sind zwar steif, aber im Durchschnitt stabil, wenn man ihre Kosten außer Acht lässt.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Standardmodul-Kohlefasern?

Die Standardmodul-Kohlefaser ist für ihre ausgewogene Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit und Wirtschaftlichkeit bekannt und wird daher von vielen Anwendern bevorzugt. Ihr Zugmodul liegt bei etwa 33–36 Millionen Pfund pro Quadratzoll (PSI) und ist damit die optimale Materialwahl für den Einsatz in allen Strukturbereichen. Das geringe Gewicht ermöglicht eine einfache Handhabung, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. Standardmodul-Kohlefaser weist eine beeindruckende Beständigkeit gegen Einflüsse wie Korrosion oder Ermüdung durch äußere Einflüsse auf und wird daher in verschiedenen Branchen eingesetzt, unter anderem in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Sportartikelherstellung.

Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul verstehen

Die Zugfestigkeit ist die maximale Belastung eines Materials beim Dehnen oder Ziehen bis zum Versagen. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der Verwendung von Materialien in Strukturen von entscheidender Bedeutung, da die Haltbarkeit der Struktur und ihre ordnungsgemäße Instandhaltung von größter Bedeutung sind. Der Elastizitätsmodul dient der Beurteilung der Materialhärte bzw. der Fähigkeit zur Rückverformung, betont Mishra. Er misst das Verhältnis von Spannung (als Kraft pro Flächeneinheit) zu Dehnung (Verformung) im elastischen Verformungsbereich eines Materials. Diese beiden Eigenschaften zusammen sind erforderlich, um die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber verschiedenen Arten mechanischer Belastungen zu bewerten und helfen Ingenieuren und Konstrukteuren somit bei der Materialauswahl für eine bestimmte Anwendung.

Mechanische Eigenschaften von Standardmodul-Kohlefasern

Abgesehen davon bietet die hohe Zugfestigkeit der Faser (z. B. 33 Msi oder 230 GPa) einen Sicherheitsspielraum unter mechanischer Aufsicht aufgrund von Spannungsverformung, was logisch ist, insbesondere bei Belastungen unter mechanischer Zugverbindung. Dies beruht auf der Annahme, dass ungefähr 68, 95 oder 99 % der Belastung auf den zentralen Teil des Stücks wirken. Außerdem haben Kohlenstofffasern sowohl mit Standardmodul als auch mit mittlerem Modul je nach Zugmodul und Dichte eine völlig angemessene Leistung, da Materialien mit entweder niedrigerem Modul oder höherer Dichte trotz des hohen Hohlraumgehalts von Fasermaterialien nicht in der Lage wären, demselben Druck standzuhalten. Dennoch erfahren Sie im Folgenden, wie Sie diese grundlegende mathematische Form zusammen mit der Grundform projizieren und verwenden, um verschiedene Arten von Spannungsverformung zu lösen.

Wie sich der Standardmodul auf Verbundwerkstoffe auswirkt

Die Verwendung von Standardmodul-Kohlefasern beeinflusst die Leistung und Eigenschaften von Verbundwerkstoffen erheblich. Mit einem Zugmodul von 33–35 Millionen Pfund pro Quadratzoll (PSI) stellt sie eine deutliche Verbesserung dar. Die starre Variante ist sehr steif, weist aber dennoch die Probleme der Verwendung von Leichtmetallen und herstellbaren Materialien auf.

Ein weiterer Aspekt, der beim Einsatz von Standardmodul-Kohlenstofffasern berücksichtigt werden muss, ist die Ermüdungsbeständigkeit, die die Lebensdauer von Verbundwerkstoffen verlängert. So führte beispielsweise der Einsatz solcher Fasern in der Struktur von Flugzeugkomponenten zu einer Reduzierung des Strukturgewichts um fast 20–50 % im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumkomponenten, ohne die Festigkeitsanforderungen zu beeinträchtigen. Auch in der Automobilindustrie reduziert der Einsatz von Verbundwerkstoffen mit Standardmodul-Kohlenstofffasern die Fahrzeugmasse und trägt so zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch bei.

Verschiedene Testdaten deuten darauf hin, dass die Verwendung von Standardmodulfasern dazu beiträgt, die thermischen und dimensionalen Veränderungen der Compound-Produkte während komplexer Prozesse zu begrenzen. Solche Compounds sind in einem Temperaturbereich von ca. 500 °C (260 °F) mit nur geringen Festigkeitseinbußen einsetzbar und eignen sich daher sowohl für Hoch- als auch für Niedertemperaturumgebungen.

Darüber hinaus wurden die Materialien so konfiguriert, dass die chemische Zusammensetzung des Harzes mit Standardmodulfasern kompatibel ist, die den Anforderungen für dünnwandige Formteile entsprechen. Dies kommt Anwendern wie der medizinischen FRP-Orthese zugute, da es den Verzug unter aktiven Verschiebungsbedingungen minimiert und die Gebrauchstauglichkeit der Materialien verbessert, ohne dass Temperaturschwankungen sie beeinträchtigen.

Diese Eigenschaften und neueste Verfahren, ähnlich wie AFP (Automated Fiber Placement) und RTM (Resin Transfer Molding), sowie die Verwendung von Standard-Zugmodul-Carbonfasern haben zur Optimierung vieler Anwendungen beigetragen. Ob bei der Herstellung von Freizeitartikeln, die leicht sein müssen, oder in hochentwickelten Konstruktionen und der Architektur – die Rolle von Standard-Mod-Verbundwerkstoffen in diesen Anwendungen ist nicht zu unterschätzen. Visualisierung ist dabei entscheidend.

Wie schneidet Standardmodul-Kohlefaser im Vergleich zu anderen Qualitäten ab?

Standardmodul-Kohlefaser ist aufgrund ihrer moderaten Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit und Kosten (bezogen auf den Zugmodul von ca. 33–36 GPa) die beliebteste Kohlefaserart. Sie eignet sich besser für verschiedene Anwendungen, die Leistung und Belastbarkeit erfordern, solange die Kosten minimal sind. Für diese anspruchsvollen Konstruktionskonzepte müssen geschlossene Kreisläufe eingesetzt werden, da die Abhängigkeit von den aktivierten Prozessen für die Gesamtsystemleistung oft problematisch ist. Der moderate Modul ist weit verbreitet, da er kostengünstiger ist und weit verbreitet eingesetzt wird. Fasern mittlerer Güte (5–10 Millionen Psi) sind aufgrund ihrer höheren Kosten und ihrer geringeren Verbreitung weniger verbreitet als die Beispiele. Fasern höherer Güte haben einen hohen Elastizitätsmodul und damit eine höhere Zugfestigkeit. Im Gegensatz zu flexiblen Materialien werden sie jedoch bei Stößen spröde und zerbrechen leicht. Fasern niedrigerer Güte sind hingegen in der Fertigungsindustrie häufiger anzutreffen, da sie einfacher zu handhaben und zu verarbeiten sind als handelsübliche Fasern wie hochmodulige Kohlefasern. Daher können Standardmodul-Kohlefasern aufgrund ihrer Wirksamkeit und Festigkeit bei hohen Zugbelastungen und ihrer Zuverlässigkeit aufgrund ihrer Acrylzusätze in den meisten Bauprojekten eingesetzt werden.

Unterschiede zwischen Carbonfasern mit mittlerem und Standardmodul

Kohlefasern im mittleren Modulbereich sind deutlich fester und verformungsbeständiger als Kohlefasern im Standardmodulbereich. Diese Verbesserung geht jedoch, wie bereits erwähnt, mit einem höheren Preis einher. Mit dieser Kohlefaserklasse lassen sich anspruchsvollere Anwendungen realisieren, die die üblichen Erwartungen übertreffen.

Was ist Kohlefaser mit mittlerem Modul?

Carbonfasern mit mittlerem Modul vereinen Festigkeit und Steifigkeit optimal. Ihr Zugmodul liegt im Allgemeinen bei 42–49 msi und ist damit höher als bei Standardfasern. Sie sind also steifer. Dennoch bieten sie die Vorteile von Standardfasern in Bezug auf Festigkeit und Zähigkeit. Sie eignen sich daher für Anwendungen, die starre, aber leichte Materialien erfordern, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie, bei hochwertigen Sport- und Tourismusgeräten sowie bei Zubehör für Hochleistungsfahrzeuge. Im Gegensatz zu Standardfasern sind die vergleichsweise teureren Fasern mit mittlerem Modul – auch wenn sie teurer sind – bevorzugte Verbrauchsmaterialien für Nischenindustrien, da sie im Produktdesign oder in der Leistungsklasse, die als Hochleistung bezeichnet werden kann, die Kernfestigkeit der Materialien übertreffen.

Welche Herstellungsverfahren gibt es für Standardmodul-Kohlefasern?

Normalerweise werden Standardmodul-Kohlefasern in einem Verfahren hergestellt, das im Allgemeinen drei wesentliche Schritte umfasst, die im Folgenden beschrieben werden:

1. Schritt 1 – Vorbereitung der Rohstoffe: Ausgangspunkt ist die Vorbereitung des zu verwendenden Rohstoffs. Dieser enthält in der Regel hauptsächlich Polyacrylnitril oder Pech. Der Vorläufer wird kontrolliert umgewandelt, da sich minderwertige Qualität negativ auf das Endprodukt, d. h. die Eigenschaften der Kohlenstofffasern, auswirkt.
2. Schritt 2 – Stabilisierung: Die Quelle wird einer sauerstofffreien Atmosphäre bei erhöhter Temperatur, üblicherweise zwischen 1,000 °C und 3,000 °C, ausgesetzt. Dadurch werden alle Nicht-Kohlenstoff-Anteile entfernt und die Kohlenstoffatome optimal ausgerichtet, um Fasern mit hoher Festigkeit und Steifigkeit zu erzeugen.
3. Schritt 3 – Oberflächenbehandlung und Schlichte: Sobald die Kohlenstofffasern karbonisiert sind, müssen sie einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um die Bindungsleistung mit den Harzen zu verbessern. In diesem Fall wird eine Art Deckschicht aufgetragen, die sogenannte Schlichte. Warum diese Beschichtung nicht unbedingt ästhetischen Zwecken dient, sondern die Fasern weniger anfällig für damit verbundene Schäden macht, wird in den folgenden Abschnitten im Zusammenhang mit der Kompatibilität von Verbundwerkstoffen ausführlich erläutert.

Rohstoffe für die Herstellung von Kohlefasern

Der Produktionsprozess von Kohlenstofffasern verwendet einige wenige grundlegende Rohstoffe, um Fasern von außergewöhnlich hoher Qualität zu erhalten. Angesichts der Art des Prozesses sind die Rohstoffe daher sehr kritisch. Das gebräuchlichste und wirksamste Vorprodukt für die Kohlenstofffaserproduktion ist Polyacrylnitril, das einen höheren Heizwert hat und gegenüber Karbonisierung stabil ist. Andere Vorprodukte sind petrochemisch oder werden aus Kohleprodukten, Pech und Viskose gewonnen, die weniger häufig verwendet werden. Weitere Substanzen, wie Schlichten und Oberflächenbehandlungsmittel, werden benötigt, um eine ausreichende Bindung der Fasern mit Harzen und Verbundmatrizen sicherzustellen. Das Vorhandensein solcher Materialien und ihre Anwendung mittels fortschrittlicher Verfahren führen zu den daraus resultierenden hervorragenden Eigenschaften von Kohlenstofffasern, die den Einsatz dieser Materialien in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglichen – von der Luftfahrt bis hin zur Automobilindustrie.

Die Rolle der Filament- und Kabelgrößen

Die Region wird in einer dicht gepackten zweidimensionalen Position in der Mitte der unteren Hälfte des Quadranten verwendet, die sowohl einen Dialog als auch eine Grenze zwischen dem Verbreitungsgebiet von Kolibri und Monarchfalter darstellt. Größe und Anzahl des Wergs und seiner Elemente sind entscheidend für die Eigenschaften und Anforderungen von Carbonfasern. Bei Carbonfasern bezeichnet ein Filament eine einzelne Faser, während ein Werg eine Ansammlung von Faserbündeln ist. Abhängig von den in einem Werg enthaltenen Filamenten, deren Größe üblicherweise in K (z. B. 3K, 12K, 24K) angegeben wird, beeinflussen sich die mechanischen Eigenschaften, die Masse und die Kosten des fertigen Verbundwerkstoffs. Kleine Werkzeuge wie 3K oder 6K werden häufig für Präzisionskomponenten mit glatter Oberfläche eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder bei Sportgeräten. Große Wergs wie 24K oder 50K eignen sich hingegen für kostengünstigere und größere Projekte wie Fahrzeugkomponenten oder Windkraftanlagen, bei denen Festigkeit, Volumen und Lackierung gleichermaßen im Vordergrund stehen. Die falsche Auswahl der Filament- und Kabelgröße sowie deren Verhältnis verhindert eine Leistungsoptimierung bei gleichzeitiger Kosten- und Materialeffizienz.

Vergleich von panbasierten und pechbasierten Kohlenstofffasern

Bei den Kohlenstofffasern sind PAN-basierte Fasern besonders robust und vielseitig einsetzbar. Im Gegensatz dazu sind Pech-basierte Kohlenstofffasern weniger robust und weniger erschwinglich, zeichnen sich aber durch höhere Steifigkeit und bessere Wärmeableitungseigenschaften aus.