Kohlenstofffasern: Herstellung

Kohlenstofffasern werden auch als Graphitfasern oder Kohlegraphit bezeichnet und bestehen aus sehr dünnen Strängen des Elements Kohlenstoff. Kohlenstofffasern haben eine hohe Zugfestigkeit und sind für ihre Größe sehr stark. Außerdem ist es ein sehr leichtes Material.

Jede Faser hat einen Durchmesser von 5-10 Mikrometern. Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie klein das ist, entspricht ein Mikrometer 0,0001 Millimetern. Ein Strang Spinnenseide ist zwischen 3 und 8 Mikron groß.

Kohlenstofffasern sind doppelt so steif und fünfmal so fest wie Stahl. Eine weitere Eigenschaft ist ihre hohe chemische Beständigkeit und ihre hohe Temperaturtoleranz bei geringer Wärmeausdehnung.

Kohlenstofffasern sind wichtige technische Werkstoffe für den Bau von Flugzeugen, Hochleistungsfahrzeugen, Sportgeräten, Musikinstrumenten und vielen anderen Dingen.

Kohlenstofffasern werden aus organischen Polymeren hergestellt. Diese Polymere bestehen aus langen Molekülsträngen, die durch Kohlenstoffatome zusammengehalten werden. Etwa 90 Prozent der Kohlenstofffasern werden nach dem Polyacrylnitril (PAN)-Verfahren hergestellt. Die restlichen 10 Prozent werden aus Rayon oder Erdölpech hergestellt.

Gase, Flüssigkeiten und andere Materialien, die im Herstellungsprozess verwendet werden, sorgen für bestimmte Effekte, Qualitäten und Qualitäten von Kohlenstofffasern. Die hochwertigsten Kohlenstofffasern mit den besten Moduleigenschaften werden in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Die Hersteller von Kohlenstofffasern unterscheiden sich hinsichtlich der Kombinationen der von ihnen verwendeten Rohmaterialien. Sie behandeln ihre spezifischen Rezepturen in der Regel als Geschäftsgeheimnis.

Im Herstellungsprozess werden die Rohstoffe, die so genannten Precursor, zu langen Fasersträngen gezogen. Die Fasern werden dann zu Stoffen gewebt. Sie können auch mit anderen Materialien kombiniert werden, die dann zu Filamenten gewickelt oder in die gewünschten Formen und Größen geformt werden.

Der Herstellungsprozess läuft folgendermaßen ab:

1. Spinnen. PAN wird mit anderen Zutaten gemischt und zu Fasern gesponnen, die gewaschen und verstreckt werden.
2. Stabilisieren. Chemische Veränderung zur Stabilisierung der Bindung.
3. Karbonisieren. Stabilisierte Fasern werden auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um fest gebundene Kohlenstoffkristalle zu bilden.
4. Behandeln der Oberfläche. Die Oberfläche der Fasern wird oxidiert, um die Bindungseigenschaften zu verbessern.
5. Schlichten. Die Fasern werden beschichtet und auf Spulen aufgewickelt. Diese werden dann auf Spinnmaschinen geladen, die die Fasern zu Garnen unterschiedlicher Größe verzwirnen.

Anstatt zu Geweben gewebt zu werden, können die Fasern auch zu Verbundwerkstoffen geformt werden. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen können die Fasern durch Hitze, Druck oder Vakuum mit einem Kunststoffpolymer verbunden werden.

Die Herstellung von Kohlenstofffasern bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich, darunter:

• Die Notwendigkeit einer kostengünstigeren Wiederherstellung und Reparatur.
• Der Prozess der Oberflächenbehandlung muss sorgfältig gesteuert werden, um die Entstehung von Vertiefungen zu vermeiden, die zu fehlerhaften Fasern führen könnten.
• Um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, ist eine genaue Kontrolle erforderlich.
• Lichtbogenbildung und Kurzschlüsse in elektrischen Geräten aufgrund der starken elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern.
• Gesundheits- und Sicherheitsprobleme, darunter Hautreizungen und Atemprobleme.

Die Größe des Kohlefasermarktes wird für 2019 auf 4,7 Mrd. USD geschätzt und wird bis 2024 voraussichtlich 7,8 Mrd. USD erreichen, bei einer CAGR von 10,6 %. Der Markt für Kohlenstofffasern wächst aufgrund der steigenden Nachfrage aus der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Windenergiebranche. Quelle

Um dies zu erreichen, müssen die Kosten gesenkt und neue Anwendungen erschlossen werden.

Lightweight Engineering & Composites an der PFH
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