Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Verbundwerkstoffen sind neben glasfaserverstärkten Kunststoffen auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, borfaserverstärkte Kunststoffe usw. entstanden. Kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe (CFK) sind leichte und robuste Materialien, die zur Herstellung vieler Alltagsprodukte verwendet werden. Der Begriff CFK bezeichnet faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die Kohlenstofffasern als Hauptbestandteil der Struktur nutzen.
Inhaltsverzeichnis:
1. Kohlenstofffaserverstärkte Polymerstruktur
2. Das Formverfahren für kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff
3. Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Polymer
4. Vorteile von CFK
5. Nachteile von CFK
6. Anwendungsgebiete von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
Kohlenstofffaserverstärkte Polymerstruktur
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Werkstoff, der durch die Anordnung von Kohlenstofffasern in einer bestimmten Richtung und die Verwendung von gebundenen Polymermaterialien entsteht. Der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist extrem gering, etwa 7 Mikrometer, ihre Festigkeit jedoch extrem hoch.
Die grundlegendste Einheit von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen ist das Kohlenstofffaserfilament. Als Rohmaterial für Kohlenstofffilamente dienen Präpolymere aus Polyacrylnitril (PAN), Viskose oder Erdölpech. Die Kohlenstofffilamente werden anschließend mittels chemischer und mechanischer Verfahren zu Kohlenstofffasergeweben für Kohlenstofffaserbauteile verarbeitet.
Als Bindemittel dient üblicherweise ein Duroplast wie Epoxidharz. Gelegentlich werden auch andere Duroplaste oder thermoplastische Polymere wie Polyvinylacetat oder Nylon verwendet. Neben Kohlenstofffasern können Verbundwerkstoffe auch Aramid Q, ultrahochmolekulares Polyethylen, Aluminium oder Glasfasern enthalten. Die Eigenschaften des fertigen Kohlenstofffaserprodukts werden zudem durch die Art der in die Bindemittelmatrix eingebrachten Additive beeinflusst.
Das Formverfahren von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
Kohlenstofffaserprodukte unterscheiden sich hauptsächlich aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren. Es gibt viele Methoden zur Herstellung kohlenstofffaserverstärkter Polymerwerkstoffe.
1. Handlaminierverfahren
Man unterscheidet zwischen Trockenlaminierung (vorgefertigte Materialien) und Nasslaminierung (Fasergewebe und Harz werden verklebt). Das Handlaminieren dient auch zur Herstellung von Prepregs für nachfolgende Formgebungsverfahren wie das Pressformen. Dabei werden Lagen aus Kohlenstofffasergewebe auf eine Form laminiert, um das Endprodukt zu formen. Die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des resultierenden Materials werden durch die Wahl der Ausrichtung und Webart der Fasern optimiert. Anschließend wird die Form mit Epoxidharz gefüllt und durch Hitze oder Luft ausgehärtet. Dieses Fertigungsverfahren wird häufig für nicht beanspruchte Bauteile wie Motorabdeckungen eingesetzt.
2. Vakuumformverfahren
Für das Laminieren von Prepregs ist es notwendig, durch ein bestimmtes Verfahren Druck auszuüben, um das Material an die Form anzupassen und es unter einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck auszuhärten und zu formen. Beim Vakuumsackverfahren wird der Formsack mithilfe einer Vakuumpumpe evakuiert. Der dadurch entstehende Unterdruck zwischen Sack und Form bewirkt, dass sich das Verbundmaterial an die Form anschmiegt.
Auf Basis des Vakuumbeutelverfahrens wurde später das Vakuumbeutel-Autoklav-Formverfahren entwickelt. Autoklaven ermöglichen höhere Drücke und härten das Bauteil durch Wärme (anstatt durch natürliche Aushärtung) als reine Vakuumbeutelverfahren. Das so hergestellte Bauteil weist eine kompaktere Struktur und eine bessere Oberflächenqualität auf, Luftblasen werden effektiv entfernt (Blasen beeinträchtigen die Festigkeit des Bauteils erheblich), und die Gesamtqualität ist höher. Tatsächlich ähnelt der Prozess des Vakuumbeutelverfahrens dem Aufbringen von Schutzfolien auf Mobiltelefone. Die Entfernung von Luftblasen ist dabei ein entscheidender Schritt.
3. Kompressionsformverfahren
KompressionsformenDas Formverfahren eignet sich für die Massenproduktion. Die Formen bestehen üblicherweise aus einem Ober- und einem Unterteil, der sogenannten Positiv- und Negativform. Beim Formprozess wird die aus Prepregs hergestellte Matte in die Metallgegenform eingelegt. Unter Einwirkung von Temperatur und Druck wird die Matte im Formhohlraum erhitzt und plastifiziert, fließt unter Druck und füllt den Formhohlraum aus. Anschließend erfolgt die Formgebung und Aushärtung. Allerdings sind die Anschaffungskosten dieses Verfahrens höher als bei früheren Verfahren, da die Form eine sehr präzise CNC-Bearbeitung erfordert.
4. Wickelformteil
Für Bauteile mit komplexen Formen oder Rotationskörpern kann eine Faserwickelmaschine eingesetzt werden, um das Bauteil durch Aufwickeln des Faserfadens auf einen Dorn oder Kern herzustellen. Nach dem vollständigen Wickelvorgang wird der Faserfaden ausgehärtet und der Dorn entfernt. Beispielsweise lassen sich mit diesem Verfahren rohrförmige Gelenkarme für Federungssysteme fertigen.
5. Harzinjektionsverfahren
Das Harzinjektionsverfahren (RTM) ist ein relativ verbreitetes Formgebungsverfahren. Die grundlegenden Schritte sind:
1. Legen Sie das vorbereitete, unbeschichtete Kohlefasergewebe in die Form und schließen Sie die Form.
2. Flüssiges Duroplast wird hineingespritzt, um das Verstärkungsmaterial zu imprägnieren, und anschließend aushärten lassen.
Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Polymer
(1) Hohe Festigkeit und gute Elastizität.
Die spezifische Festigkeit (d. h. das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte) von Kohlenstofffasern ist sechsmal so hoch wie die von Stahl und 17-mal so hoch wie die von Aluminium. Der spezifische Elastizitätsmodul (d. h. das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte, ein Indikator für die Elastizität eines Materials) ist mehr als dreimal so hoch wie der von Stahl oder Aluminium.
Dank seiner hohen spezifischen Festigkeit kann es große Arbeitslasten tragen. Sein maximaler Betriebsdruck erreicht 350 kg/cm². Darüber hinaus ist es kompressibler und elastischer als reines F-4 und dessen Geflecht.
(2) Gute Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.
Seine Dauerfestigkeit ist deutlich höher als die von Epoxidharz und auch höher als die von Metallen. Graphitfasern sind selbstschmierend und weisen einen geringen Reibungskoeffizienten auf. Der Verschleiß ist 5- bis 10-mal geringer als bei herkömmlichen Asbestprodukten oder F-4-Geflechten.
(3) Gute Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die durch Reibung entstehende Wärme leicht abgeführt wird. Das Innere neigt nicht zu Überhitzung und Wärmespeicherung und eignet sich daher als dynamisches Dichtungsmaterial. An Luft arbeitet es stabil im Temperaturbereich von -120 °C bis 350 °C. Durch die Reduzierung des Alkalimetallgehalts in den Kohlenstofffasern kann die Einsatztemperatur weiter erhöht werden. In einem Inertgas erreicht es eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 2000 °C und ist beständig gegenüber starken Temperaturwechseln.
(4) Gute Vibrationsfestigkeit.
Es neigt nicht leicht zum Resonanzen oder Flattern und ist zudem ein hervorragendes Material zur Vibrations- und Geräuschdämpfung.
Vorteile von CFK
1. Geringes Gewicht
Herkömmliche glasfaserverstärkte Kunststoffe verwenden Endlosglasfasern und bestehen zu 70 % aus Glasfasern (Glasgewicht/Gesamtgewicht) und weisen typischerweise eine Dichte von 0,065 Pfund pro Kubikzoll auf. Ein CFK-Verbundwerkstoff mit demselben Faseranteil von 70 % hat typischerweise eine Dichte von 0,055 Pfund pro Kubikzoll.
2. Hohe Festigkeit
Obwohl kohlenstofffaserverstärkte Polymere leicht sind, weisen CFK-Verbundwerkstoffe eine höhere Festigkeit und Steifigkeit pro Gewichtseinheit auf als Glasfaserverbundwerkstoffe. Im Vergleich zu Metallwerkstoffen ist dieser Vorteil noch deutlicher.
Nachteile von CFK
1. Hohe Kosten
Die Produktionskosten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind extrem hoch. Die Preise für Kohlenstofffasern können je nach Marktlage (Angebot und Nachfrage), Fasertyp (Luft- und Raumfahrtqualität vs. Standardqualität) und Faserbündelgröße stark schwanken. Pro Kilogramm ist reine Kohlenstofffaser 5- bis 25-mal teurer als Glasfaser. Dieser Unterschied ist im Vergleich von Stahl und CFK noch deutlicher.
2. Leitfähigkeit
Dies sind Vor- und Nachteile von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen. Es kommt auf die Anwendung an. Kohlenstofffasern sind extrem leitfähig, Glasfasern hingegen isolierend. Viele Produkte verwenden Glasfaser anstelle von Kohlenstofffasern oder Metall, da sie hohe Isolationsanforderungen stellen. In der Energieversorgungsindustrie benötigen viele Produkte Glasfasern.
Anwendungsgebiete von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
Die Anwendungsgebiete von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren sind vielfältig und reichen von mechanischen Bauteilen bis hin zu militärischen Werkstoffen.
(1)als Dichtungsverpackung
Aus kohlenstofffaserverstärktem PTFE lassen sich korrosions-, verschleiß- und hochtemperaturbeständige Dichtungsringe und -packungen herstellen. Bei statischer Abdichtung ist die Lebensdauer mehr als zehnmal länger als die von herkömmlichen, ölgekühlten Asbestpackungen. Die Dichtungsleistung bleibt auch bei Lastwechseln sowie schnellen Abkühlungen und Erwärmungen erhalten. Da das Material keine korrosiven Substanzen enthält, tritt keine Lochfraßkorrosion auf.
(2)als Schleifteile
Dank seiner selbstschmierenden Eigenschaften eignet es sich für Lager, Zahnräder und Kolbenringe in Spezialanwendungen. Beispiele hierfür sind ölfrei geschmierte Lager für Instrumente in der Luftfahrt und Tonbandgeräte, ölfrei geschmierte Zahnräder für elektrisch angetriebene Diesellokomotiven (um Unfälle durch Ölaustritt zu vermeiden) und ölfrei geschmierte Kolbenringe für Kompressoren. Darüber hinaus kann es aufgrund seiner Ungiftigkeit auch in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie als Gleitlager oder Dichtung eingesetzt werden.
(3) Als Strukturwerkstoff für die Luft- und Raumfahrt, insbesondere für Flugzeuge und Raketen, wurde es erstmals im Flugzeugbau eingesetzt, um deren Gewicht zu reduzieren und die Flugeffizienz zu verbessern. Es findet außerdem Verwendung in der Chemie-, Erdöl-, Energie-, Maschinenbau- und anderen Industrien als dynamische Dichtung für Dreh- oder Hubbewegungen sowie als Material für verschiedene statische Dichtungen.
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Veröffentlichungsdatum: 25. Mai 2023
