Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (Kurzzeichen CFK) werden umgangssprachlich „Carbon“ genannt. Es sind Verbundwerkstoffe bei denen Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix, meist in mehreren Lagen, eingebettet sind. Die Matrix besteht aus Duroplasten, vorwiegend aus Epoxidharz. Die Fasern werden dabei als Gewebe oder Gewirke oder als Faserstränge („Rovings“) in Formen mit dem Harz verbunden, das anschließend durch Erhitzen unter Luftabschluss ausgehärtet wird. Durch gerichtete Anordnung der Fasern lassen sich die Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Bauteile beeinflussen und bestmöglich den Beanspruchungen anpassen, was eine Minimierung der Bauteilmasse erlaubt.
Die Dichte kohlefaserverstärkter Kunststoffe liegt bei 1,5 g/cm³. Ihre mechanischen Eigenschaften sind, wie bei allen Faserverbundwerkstoffen, von der Faseranordnung abhängig. Der E-Modul beträgt in Faserrichtung ca. 180.000 MPa und quer zur Faserrichtung ca. 12.000 MPa.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden als Ersatz für Metalle im Leichtbau gesehen. Ihre Eignung für diese Anwendung ist durch ihre gute spezifische Festigkeit und Steifigkeit begründet. Dabei ist jedoch zu beachten, dass alle Metalle unabhängig vom späteren Bauteil und seiner Geometrie, vorher bekannte, kalkulierbare Eigenschaften haben. Im Falle der Faserverbundwerkstoffe entstehen der Werkstoff und seine Eigenschaften erst bei der Bauteilherstellung.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe sind für großflächige Bauteile mit einfachem Spannungszustand gut geeignet. Dagegen haben diese Werkstoffe bei komplexen Spannungszuständen und vielen Krafteinleitungen nicht selten kaum Vorteile. Derzeit werden kohlefaserverstärkte Kunststoffe vorwiegend für Kleinserien und Einzelfertigungen eingesetzt. Bei der Serienproduktion müssen besondere Anforderungen an die Fertigungsverfahren erfüllt werden, insbesondere bezüglich der Wiederholbarkeit und des Zeitaufwandes.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe werden hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt verwendet z. B. für Seitenleitwerke. Die Verwendung von CFK ergibt im Flugzeugbau Gewichtseinsparungen bis zu 30% gegenüber konventionellen Metallstrukturen. Aus ihnen werden Rotorblätter großer Windkraftanlagen und Karosserien moderner Sportautos gefertigt. Abb. 1 zeigt die Vorderfront eines Mercedes, wo neben Metallen auch CFK zu finden sind.

                                                                            Abb. 1 CFK in einem Auto

Breite Verwendung finden sie für Sportgeräte wie Fahrradrahmen (Abb. 2a) und andere Fahrradteile sowie Tennisschläger. Ein anderes Anwendungsbeispiel sind leichte, faltbare Wanderstöcke (Abb. 2b). In Zukunft werden kohlefaserverstärkte Kunststoffe vor allem in der Automobilindustrie an Bedeutung gewinnen.

                                                                 Abb. 2 CFK im Sportbereich a) Fahrradrahmen, b) Wanderstöcke 

Eine neue und eher ungewöhnliche Anwendung finden Kohlefaserverstärkte Kunststoffe im Schmuckbereich. Schmuck aus schwarzem CFK wird insbesondere für Männer, mit Werbesprüchen wie „sportlich-elegant, mit wunderbarer samtener Haptik und magisch anmutendem Schwarz“, angeboten. Neulich werden auch graufarbige Schmuckstücke hergestellt: „Für alle die von Karbon begeistert sind, das Schwarz jedoch zu dunkel finden.“ In einem Film von NZZ-Format wird auch ein Klavier aus CFK dargestellt.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe CFK gehören zweifelslos zu den Werkstoffen der Zukunft und sie werden in vielen verschiedenen Bereichen zunehmend verwendet.<<