Kohlenstofffasern

 Obwohl Kohlefasern als ein Material erscheinen, das in jeder Hinsicht perfekt ist, ist das nicht immer der Fall. Um ehrlich zu sein, ist es auch wahr, dass bei der Verarbeitung von Kohlefasern (gemeint sind natürlich Dinge wie Schleifen und Schneiden, nicht das Verkleben oder ähnliches) Schutzmaßnahmen beachtet werden müssen. Andernfalls droht das Einatmen von Mikrostaub (eine ähnliche Gefahr wie bei Toner von modernen Laserdruckern zum Beispiel) oder Hautirritationen.

Warum wird Kohlefaser überhaupt verwendet?

Es gibt viele Gründe, aber in erster Linie sind es ihre wirklich hervorragenden physikalischen Parameter: Sie haben nämlich eine durchschnittliche Feinheit von 5-10 μm und eine Dichte von 1750 kg/m3. Und von anderen Textilfasern unterscheidet sie sich heute durch ihre Zerbrechlichkeit (zum Beispiel gegenüber Glasfasern ist die Dehnbarkeit geringer) und auch durch einen geringeren Elastizitätsmodul (in der quer zur Faserachse gemessenen Richtung). Wenn die Faser erhitzt wird, dehnt sie sich nicht aus, wie man erwarten könnte, sondern im Gegenteil – sie verkürzt sich in der quer zur Faserachse gemessenen Richtung. Zudem verfügen die Kohlefasern längs über einen extrem niedrigen elektrischen Widerstand (nur 1,9×10−6 Ω/m) und haben sogar einen höheren Koeffizienten der thermischen Ausdehnung als Glas.

Welche Arten von Fasern werden heute hergestellt?

Heute trifft man üblicherweise auf folgende Typologien:

• Standard-kohlenstoffisierte Fasern: AS (average strength) - mit durchschnittlicher Festigkeit, HS (high strength) - mit hoher Festigkeit, HT (high tenacity) - mit hohem Elastizitätsmodul).
• Hochmodul-grafitisierte Fasern (HM – „High Modulus“)
• Fasern mit hoher Festigkeit und mittlerem Elastizitätsmodul (IM – „Intermediate Modulus“), hohle Kohlefasern
• Fasern mit hohem Elastizitätsmodul (VHM „Very High Modulus“, UHM „Ultra High Modulus“)
• Diskontinuierliche durch Dehnung zerstörte Fasern (SBCF, „Stretch-Broken Carbon Fiber“)
• Gemahlene Kohlefasern
• Recycelte Kohlefasern

Als Fasern mit überdurchschnittlichen, ja hervorragenden Eigenschaften gelten solche mit einer Festigkeit von bis zu 7 GPa und einem Durchmesser von 0,2 μm, hergestellt mit der „Vapor-Grown Carbon Fibers“-Technologie (also „Wachstum in Dampf“). Außerdem werden andere moderne Materialien mit unglaublichen Parametern getestet: So beispielsweise Nanoröhrchen, die eine Zugfestigkeit von bis zu 150 GPa aufweisen und das bei einer Länge von 5 mm.

 In kaum einem anderen Bereich haben kohlenstoffbasierte Materialien so eine Revolution ausgelöst wie im modernen (und traditionellen) Bogenschießen. Gerade karbonbasierte Pfeile sind nämlich absolut widerstandsfähig gegen Wasser und Luftfeuchtigkeit und im Vergleich zu Aluminium verbiegen sie sich nicht. Wenn ihre maximale Biegsamkeit erreicht wird, brechen sie einfach. Aber das bedeutet sicherlich nicht, dass irgendein hochwertiger Pfeil (im Ziel sanft abgefangen) nicht tausende Schüsse überdauern würde...

Wo sind Kohlefasern heute überall zu finden?

Der weitaus größte Abnehmer moderner Kohlefasern ist in den letzten Jahren zweifellos der Luftfahrtsektor (ca. 22 % des Marktes), wo sie natürlich für den Bau von Flügeln und Rümpfen verwendet werden. Weitere 17 % entfallen auf den Bereich Windgeneratoren (also deren Rotoren und Offshore-Plattformen). Im Bereich der allgemeinen Verbundstoffe aller Art entfallen ca. 16 % auf verschiedene Gastanks, militärische und zivile Schiffe, … Sportgeräte (ca. 14 % des Marktes) haben von dieser Innovation natürlich auch profitiert – wer mit einem Bogen schießt, kennt sicher die Kohleschäfte der Pfeile. Aber das ist natürlich nicht alles – es gibt auch moderne Golfschläger, Fahrräder, Boote, Skikanten, … Lediglich 5 % entfallen auf den Automobilbereich mit Karosserieteilen und Stoßfängern.

 Kohlefasern sind in bestimmten Produktgruppen/Maschinen/Ausrüstungen immer noch eher ein Synonym für einen gewissen luxuriösen Luxus als für eine grundlegende Standardausstattung. Das wird sich in den kommenden Jahren zweifellos bessern, da die Menge ihrer Hersteller auf dem modernen Markt steigt, sowie die Menge der Erfindungen, die sich irgendwie mit Kohlefasern beschäftigen und diese weiterentwickeln.

Wie teuer sind Kohlefasern?

Bei weitem am teuersten sind die für die Luftfahrtindustrie bestimmten Fasern. Dann folgen praktisch alle anderen Bereiche, in denen nicht so extreme Anforderungen an Qualität und Reinheit gestellt werden (immerhin, ein fliegendes gigantisches Flugzeug stellt andere Anforderungen an Materialien und ihre Reinheit als ein Golfschläger). Als Kohlefasern in großen Mengen zu produzieren begannen, kostete 1985 1 kg etwa 120 USD. Anfang dieses Jahrhunderts nähert sich der Preis der Grenze von ca. 40 USD pro kg. So oder so, man hofft, dass der Preis auf etwa 15-30 USD pro kg einer durchschnittlichen Faser sinken wird.