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Kohlenstofffaserverstärkter_Kunststoff

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

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
$ρ$	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^{−6^1/K}
$\alpha_{\perp}$	30·10^{–6^1/K}

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK – C für Carbon = Kohlenstoff) bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem in eine Matrix (z. B. aus Kunststoff) Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung eingebettet werden.

Die Matrix besteht meist aus Duromeren, zum Beispiel Epoxidharz oder aus Thermoplasten. Für thermisch sehr hochbelastete Bauteile (z. B. Bremsscheiben) kann die Kohlenstofffaser auch in einer Matrix aus Keramik (siehe keramische Faserverbundwerkstoffe) gebunden werden.

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Beschreibung

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 Haftung der Matrix auf der Faser muss gegeben sein, ansonsten versagen die Bauteile durch Faser-pull-out.

Die Festigkeit und Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials ist, wie bei allen Faserverbunden, in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Aus diesem Grund werden einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Bei Hochleistungs-Konstruktionsbauteilen werden die Faserrichtungen vom Konstrukteur anhand einer Computerberechnung (z. B. mit Hilfe der klassischen Laminattheorie) festgelegt, um die geplante Festigkeit und Steifigkeit zur erreichen.

CFK wird eingesetzt, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder für Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Speedskates, Tennisschläger und Angelruten. Zunehmend setzt sich CFK auch im Bauwesen durch. CFK wird in Form von Lamellen oberflächig oder, in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt, für die Bauwerksverstärkung eingesetzt.

Fertigungsverfahren

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

Zum Binden der Kohlenstofffasern in einer reinen Kohlenstoffmatrix wird ein anderes Verfahren eingesetzt: Die zugeschnittenen Gewebematten werden in eine Spezialform eingelegt, welche im Ofen bei hoher Temperatur (600–1000 °C) in eine Kohlenmonoxidatmosphäre geglüht werden. Das Kohlenmonoxid zerfällt bei der hohen Temperatur zu Kohlendioxid und Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff sich im Gewebe anlagert. Nur nach diesem Verfahren hergestellter Werkstoff wird offiziell als „Carbon“ bezeichnet.

CFK bei Fahrzeugen

CFK-Bauteile können je nach Auslegung wesentlich leichter sein als etwa Teile aus Aluminium oder Stahl. Im Fahrzeugbau bieten sie beim Zusammenprall mit einem Hindernis den Vorteil, sehr viel Energie zu absorbieren, indem sie zersplittern. Andererseits hat diese Eigenschaft auch den Nachteil, dass scharfe Bruchkanten entstehen, die zu schweren Verletzungen bzw. Beschädigungen führen können. Aus diesen und auch finanziellen Gründen sowie der bisher nur unzureichend gelösten Entsorgungsfrage wird beim Serien-Automobilbau größtenteils auf CFK verzichtet oder nur sparsam eingesetzt. Vor allem bei Supersportwagen gilt dies allerdings nicht; hier haben einige Modelle wie der Porsche Carrera GT sogar komplette CFK-Karosserien. Zunehmend geht auch bei Sportwagen und Sportlimousinen der Trend zur Verwendung von CFK-Komponenten. So wird die ab Herbst 2007 angebotene neue Version des BMW M3 serienmäßig mit CFK-Dach ausgeliefert. Einige Fahrzeugtuner bieten außerdem zunehmend für zahlreiche Modelle CFK-Anbauteile wie Motorhauben und Spoiler zum Nachrüsten und Umbauen an.

Siehe auch

Aramidfaser

unidirektionale Schicht

Weblinks

CFK-Valley Stade e. V.
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
CFK-Produktionszahlen in Europa (in Kilotonnen laut Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, pdf-Datei)

Kategorien: Kunststoff | Verbundwerkstoff

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