Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK)
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, oft abgekürzt als CFK oder englisch CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), sind Verbundmaterialien, die aus einer Polymermatrix bestehen, welche mit Kohlenstofffasern verstärkt ist.
Der Werkstoff kombiniert die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern mit der Vielseitigkeit und Bearbeitbarkeit von Kunststoffen, was ihn zu einem bevorzugten Material in Hochleistungsanwendungen macht. CFK wird vor allem wegen seiner außergewöhnlichen Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht geschätzt.
Kunststoff trifft High-Tech-Kohlefaser
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe setzen sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen: Einer Matrix aus Kunststoff und der Verstärkung durch Kohlenstofffasern. Die Matrix, üblicherweise aus Polymeren wie Epoxidharz, Polyester oder Vinylester, umschließt und stützt die Fasern, die in Form von Geweben, Matten oder gerichteten Strängen vorliegen können.
Die bei den meisten Werkstoffen verwendeten Kohlenstofffasern sind mit etwa 5 bis 10 Mikrometern im Durchmesser extrem dünn und bestehen aus langen Ketten von Kohlenstoffatomen, die eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit bieten.
Die spezifische Anordnung und der Anteil der Fasern innerhalb der Matrix spielen eine entscheidende Rolle für die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials. Zusätzliche Additive und Füllstoffe können hinzugefügt werden, um spezifische Eigenschaften zu erreichen. Dazu zählen:
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UV-Beständigkeit
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Reduktion der Entflammbarkeit
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Elektrische Leitfähigkeit
Charakteristika von kohlefaserverstärkten Kunststoffen im Überblick
Die herausragenden Eigenschaften von CFK umfassen eine außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit, die oft jene von Stahl übertrifft. Der Unterschied: Kohlefaserverstärkte Kunststoffe erreichen diese Leistung mit nur einem Bruchteil des Gewichts von Stahl.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe besitzen dabei eine ausgezeichnete spezifische Festigkeit (Festigkeit pro Gewichtseinheit) und spezifische Steifigkeit (Steifigkeit pro Gewichtseinheit), was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Gewichtsreduktion entscheidend ist.
Darüber hinaus zeichnet sich der Werkstoff durch eine hohe Ermüdungsresistenz und Korrosionsbeständigkeit aus, was es besonders langlebig macht. Vorsicht ist hingegen bei Stößen und Schlägen geboten. CFK hat eine relativ geringe Schlagzähigkeit.
Anwendungen von Luft- und Raumfahrt bis Automotive
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe finden in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen Einsatz, die von Luft- und Raumfahrt über Automobilbau, Sportausrüstung bis hin zur Bauindustrie und der Windenergie reichen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden CFK-Komponenten in der Leichtbauweise zu Strukturelementen von Flugzeugen und Satelliten verarbeitet.
Im Automobilsektor ermöglicht CFK die Herstellung von leichteren und damit energieeffizienteren Fahrzeugen. Auch im Sportbereich sind kohlefaserverstärkte Kunststoffe beliebt, beispielsweise für Fahrradrahmen, Golfschläger und Ruderboote. Darüber hinaus werden sie im Bauwesen für tragende Strukturen und in der Windkraft für die Produktion von Turbinenblättern eingesetzt, wo die Materialien den extremen Wetterbedingungen und Umweltbelastungen standhalten.