Wie stark ist Carbonfaser? | Supreem Carbon Expertenratgeber

Die Festigkeit von Carbonfasern verstehen: Ein Leitfaden für Beschaffungsexperten

Was genau macht Kohlefaser so stark?

KohlefaserDie außergewöhnliche Festigkeit von beruht auf seiner einzigartigen atomaren Struktur und dem Herstellungsprozess. Es besteht aus extrem dünnen Strängen mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 Mikrometern, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einer kristallinen Struktur miteinander verbunden und parallel zur Faserlängsachse ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung erzeugt eine hochgeordnete, starke Bindung entlang der Faserlänge. Die Festigkeit wird noch weiter erhöht, wenn diese Fasern zu Gewebe verwebt und anschließend in eine Polymermatrix, typischerweise Epoxidharz, eingebettet werden. Diese Matrix bindet die Fasern zusammen, schützt sie und überträgt effizient Lasten zwischen ihnen. Der resultierende Verbundwerkstoff weist eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit auf, d. h. er hält erheblichen Zugkräften stand und widersteht Verformungen.

Wie ist die Festigkeit von Kohlefaser im Vergleich zu anderen Materialien wie Stahl oder Aluminium?

Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl und Aluminium ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Während hochfester Stahl eine höhere Zugfestigkeit im Verhältnis zum Gewicht aufweist, sind die spezifische Festigkeit (Festigkeit pro Dichteeinheit) und die spezifische Steifigkeit von Kohlefasern deutlich höher. Hochwertige Kohlefaserverbundwerkstoffe erreichen beispielsweise Zugfestigkeiten von über 3.000 MPa, wobei einige für die Luft- und Raumfahrt verwendete Werkstoffe sogar über 7.000 MPa erreichen. Im Gegensatz dazu liegt die Zugfestigkeit von herkömmlichem Baustahl bei etwa 400–550 MPa und die von Aluminiumlegierungen bei etwa 200–500 MPa. Dies ermöglichtCarbonfaserteileSie sind deutlich leichter und behalten dabei die strukturelle Integrität ihrer metallischen Pendants bei oder übertreffen diese sogar. Dieser Vorteil ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung, da sich Gewichtsreduzierung direkt in Kraftstoffeffizienz und Leistung niederschlägt.

Welchen Kräften kann Kohlefaser standhalten und wo liegen ihre Grenzen?

Kohlefaser zeichnet sich durch hervorragende Zugfestigkeit aus, d. h. sie ist unter Zugbelastung sehr fest. Bei sachgemäßer Konstruktion und Herstellung hält sie auch Druck- und Biegebelastungen gut stand. Ihre Haupteinschränkung liegt in ihrer Sprödigkeit und Anfälligkeit für Aufprallschäden. Anders als Metalle, die sich vor dem Versagen plastisch verformen, versagt Kohlefaser tendenziell katastrophal und ohne nennenswerte Vorwarnung, wenn ihre Festigkeitsgrenze erreicht ist. Sie besitzt außerdem anisotrope Eigenschaften, d. h. ihre Festigkeit und Steifigkeit variieren je nach Richtung der angewandten Kraft im Verhältnis zur Faserausrichtung. Geringe Festigkeit über die gesamte Dicke und Anfälligkeit für Delamination (Schichttrennung) bei Kräften außerhalb der Ebene oder lokalen Stößen sind häufige Probleme, denen durch sorgfältige Konstruktion, Harzauswahl und Qualitätskontrolle bei der Herstellung begegnet werden muss.

Wie wirkt sich der Herstellungsprozess auf die Festigkeit von Kohlefasern aus?

Der Herstellungsprozess bestimmt maßgeblich die endgültige Festigkeit und Leistung von Kohlefaserteilen. Wichtige Faktoren sind:

• Fasertyp und -qualität:Je nach den spezifischen Anwendungsanforderungen werden unterschiedliche Kohlefaserqualitäten (z. B. hohe Festigkeit, hoher Elastizitätsmodul) ausgewählt.
• Webmuster und Layup:Die Ausrichtung der Fasern (z. B. unidirektional, Köperbindung, Leinwandbindung) sowie die Reihenfolge und der Winkel der gestapelten Lagen wirken sich erheblich auf die anisotropen Eigenschaften und die Gesamtfestigkeit des Teils in verschiedene Richtungen aus.
• Harzsystem:Die Wahl der Polymermatrix (z. B. Epoxid, Vinylester) beeinflusst die Temperaturbeständigkeit, die chemische Beständigkeit und die Fähigkeit des Verbundwerkstoffs, Lasten zwischen Fasern zu übertragen.
• Aushärtungsprozess:Die richtige Aushärtung (Temperatur, Druck, Zeit) ist entscheidend für eine vollständige Harzpolymerisation und die Minimierung von Hohlräumen, die die Festigkeit drastisch reduzieren können. Die Aushärtung im Autoklaven führt beispielsweise typischerweise zu qualitativ hochwertigeren Teilen mit geringerem Hohlraumgehalt.
• Qualitätskontrolle:Das Erkennen von Herstellungsfehlern wie Hohlräumen, Delamination und Faserfehlausrichtung durch zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) ist entscheidend, um die strukturelle Integrität sicherzustellen.

Diese Faktoren werden sorgfältig kontrolliert, um das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die Haltbarkeit für bestimmte Anwendungen zu optimieren.

Was muss ich bei der Beschaffung von Kohlefaserteilen hinsichtlich der Festigkeit beachten?

Bei der Beschaffung von Kohlefaserteilen ist ein umfassendes Verständnis der spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung von größter Bedeutung. Beachten Sie Folgendes:

1. Lastfälle definieren:Geben Sie die Belastungsarten (Zug-, Druck-, Biege-, Scher- und Stoßbelastung) und deren Ausmaße, denen das Teil im Betrieb ausgesetzt sein wird, klar an.
2. Materialspezifikationen:Fordern Sie von den Lieferanten detaillierte Materialdatenblätter an, einschließlich Fasertyp, Harzsystem, Faservolumenanteil und dem geplanten Laminierungsplan.
3. Herstellungsprozess:Erkundigen Sie sich nach dem Produktionsprozess des Herstellers (z. B.PrepregLaminieren, Vakuuminfusion, Filamentwickeln, Aushärten im Autoklaven) und ihre Qualitätskontrollmaßnahmen (z. B. NDT-Fähigkeiten).
4. Leistungstests:Fordern Sie Nachweise über mechanische Prüfdaten (z. B. Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, interlaminare Scherfestigkeit) an, die für Ihre Anwendung relevant sind.
5. Lieferantenkompetenz und Zertifizierung:Arbeiten Sie mit Lieferanten zusammen, die über nachweisliches Fachwissen verfügen inKohlefaserverbundstoffFertigung und verfügen über relevante Branchenzertifizierungen (z. B. AS9100 für die Luft- und Raumfahrt, IATF 16949 für die Automobilindustrie), was die Einhaltung hoher Qualitätsstandards belegt.
6. Nachbearbeitung und Montage:Überlegen Sie, wie das Teil fertiggestellt, bearbeitet und mit anderen Komponenten verbunden wird, da diese Schritte auch die endgültige Festigkeit und Integrität beeinflussen können.

Durch die Berücksichtigung dieser Punkte können Beschaffungsexperten sicherstellen, dass sie Kohlefaserkomponenten erwerben, die die erforderlichen Festigkeits- und Leistungsstandards für ihre spezifischen Anwendungen erfüllen.