Carbonfaserverstärkter Kunststoff

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1 CFK Materialgruppen: Kunststoff > Duroplaste > Duroplast-Verbundwerkstoffe Materialbeschrieb Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind Verbundwerkstoffe aus Carbonfasern und einer Kunststoffmatrix. Als Kunststoffmatrix kommen sowohl duroplastische als auch thermoplastische Kunststoffe in Frage. Die Carbonfasern in den CFK haben die Funktion, die Lasten abzutragen, und sie definieren Steifigkeit und Festigkeit des Verbundwerkstoffs. Die Kunststoffmatrix gewährleistet die Bindung zwischen den Fasern, sichert deren Lage, überträgt die Spannungen auf die Fasern und ist für den Schutz der Fasern vor Umgebungseinflüssen verantwortlich. Als Matrixsystem werden am häufigsten Epoxid- und Vinylesterharze oder verschiedene Thermoplaste wie Polyamide oder Polyurethane verwendet. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aus. Die mechanischen Eigenschaften der CFK wie Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdungsverhalten, Impactverhalten oder auch thermomechanische Eigenschaften werden hauptsächlich durch die Carbonfaser beeinflusst. Dabei spielt auch der Anteil der Fasern am Gesamtvolumen eine wichtige Rolle. Bei der Herstellung wird daher ein möglichst hoher Anteil Fasern angestrebt. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass alle Fasern komplett mit Harz getränkt sind und sich keine Lufteinschlüsse bilden, welche die Festigkeit erheblich beeinträchtigen. Die physikalischen Eigenschaften wie das Korrosionsverhalten oder die Temperaturbeständigkeit und auch die chemische Beständigkeit sind hingegen hauptsächlich durch die Matrix gegeben. Duroplastische Matrixsysteme bilden beim Aushärten chemische Verlinkungen zwischen den einzelnen Polymeren aus, welche nicht mehr rückgängig gemacht werden können. Auch bei hohen Temperaturen bleibt die Matrix daher stabil. Thermoplastische Matrixsysteme sind chemisch nicht vernetzt. Sie werden bei hohen Temperaturen weich (Glasübergangstemperatur) und später sogar flüssig (Kristallschmelztemperatur) und erstarren bei einer Abkühlung wieder. Ausgehärtete CFK-Bauteile können wie Holz bearbeitet werden. CFK-Bauteile mit einer thermoplastischen Matrix können zudem unter Erwärmung umgeformt oder verschweisst werden. MATERIAL ARCHIV / 5

2 Generell kommen Carbonfaserverstärkte Kunststoffe dort zum Einsatz, wo eine Gewichtsersparnis bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit oder wo hohe Festigkeiten in chemisch aggressiver Umgebung gefragt sind. Erstmals für kommerzielle Anwendungen in grossem Umfang wurden CFK-Bauteile in der Luftfahrt eingesetzt. Dort gilt grob gesagt, dass pro eingespartem Kilogramm der Konstruktion 1000 CHF im Betrieb eingespart werden können. In der Raumfahrt, bei welcher Carbonfaserverstärkte Kunststoffe schon seit Längerem eingesetzt werden, dürfte dieser Wert um einiges höher liegen. Heutzutage werden CFK in den meisten Bereichen des Maschinenbaus und im Freizeitbereich, wie zum Beispiel im Sport, eingesetzt. Immer mehr werden CFK auch in der Bauindustrie eingesetzt. Bekanntestes Beispiel dafür sind Carbonlamellen zur nachträglichen Verstärkung von Betonstrukturen. Abkürzung: Andere Bezeichnungen/Synonyme: Handelsnamen: Englische Bezeichnung: CFK Carbonfaserkunststoff, Kohlenfaserkunststoff, Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, Kohlenfaserverstärkter Kunststoff Ultra Super Lite carbonfiber reinforced plastic (CRP), carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) Ähnliche Materialien: Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) Hintergrund Recycling: Ein rohstoffliches Recycling von CFK ist möglich, wird derzeit aber erst in Pilotprojekten umgesetzt und ist noch nicht flächendeckend verfügbar. Zudem verschlechtern sich die Eigenschaften der Carbonfasern durch den Prozess. Ein stoffliches Recycling von CFK ist ebenfalls möglich. Das Rezyklat kann jedoch nur für Anwendungen mit minderen Anforderungen eingesetzt werden, da der CFK vor der Wiederverwertung zerkleinert werden muss und somit die Fasern zerschnitten werden. Herstellung Ausgangsmaterial: CFK werden aus Carbonfasern und einer Kunststoffmatrix hergestellt. Fertigung: Für die Herstellung der Carbonfaserverstärkten Kunststoffe werden die Rovings lose oder zu Geweben, so genannten Faserhalbzeugen, verbunden, mit einer Matrix getränkt und auf eine Form gelegt. Anschliessend wird eine weitere Lage Fasern aufgebracht, getränkt und positioniert. Vermehrt werden auch 3D-Halbzeuge eingesetzt. Diese erlauben eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit, verbessern aber auch die Out-of-plane-Eigenschaften erheblich. MATERIAL ARCHIV / 5

3 Das Bauteil wird so Schicht um Schicht aufgebaut, was maschinell oder von Hand erfolgen kann. Sind alle Schichten aufgebracht, erfolgt die Aushärtung. Deren Dauer ist von der Temperatur, dem Druck und der Art sowie der Zusammensetzung der Matrix, d. h. vom Anteil Beschleuniger, Härter etc., abhängig. Eigenschaften Kennwerte beziehen sich auf: Dünnwandige Platte Besonderheiten: Die mechanischen Eigenschaften der CFK können stark variieren. Sie hängen von der Art der Faser, der Matrix sowie dem jeweiligen Faservolumenanteil ab. Zudem spielt die Orientierung der Fasern eine wesentliche Rolle, da Carbon ein in hohem Masse anisotropes Verhalten aufweist. Ein CFK-Bauteil weist jeweils in Richtung der Verstärkungsfasern deutlich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten auf als quer dazu. Dies erlaubt es, ein CFK-Bauteil exakt auf die auftretenden Kräfte zu dimensionieren. So lassen sich Bauteile produzieren, die hauptsächlich in eine Richtung tragend sind, aber auch Bauteile, die ein quasi-isotropes Verhalten aufweisen. Für Letzteres gilt, dass der Winkel zwischen den Fasern der einzelnen Lagen 60 Grad nicht überschreiten darf und der Lagenaufbau symmetrisch sein muss. Erscheinung Farbe: Schwarztöne Mechanische Eigenschaften Bruchdehnung [εb]: 1.20 bis 1.70 % Dichte [ρ]: bis kg/m 3 Druckfestigkeit: bis N/mm 2 Elastizitätsmodul: bis N/mm 2 Scherfestigkeit: bis N/mm 2 Zugfestigkeit [ft]: bis N/mm 2 Zugfestigkeit QR: bis N/mm 2 Thermische Eigenschaften Längenausdehnungskoeffizient E-5: bis /K Bearbeitung Formen und Generieren: frei auftragen, spritzgiessen, umformen (biege-, druck-, zug- und zugdruckumformen), wickeln Verbreitete Fertigungsverfahren sind: Handlaminieren, Vakuum-Verfahren, Pressverfahren, Injektionsverfahren, Pultrusion, Wickelverfahren, Faserspritzen, Spritzgiessen, Autoklaventechnik. MATERIAL ARCHIV / 5

4 Fügen und Verbinden: Oberflächenbearbeitung: Trennen und Subtrahieren: kleben, nieten, schrauben aufrauen, schleifen bohren, drehen, fräsen, sägen, schneiden, stanzen Arbeitsschutz: Bei der Verarbeitung von Epoxidharzen müssen Schutzvorkehrungen getroffen werden. Verschiedene Inhaltsstoffe können Allergien auslösen. Ein Hautkontakt führt zu Verätzungen. Beim Einatmen der Dämpfe kann es zu Reizungen und Lähmungen kommen. Anwendung Anwendungsgebiete: Raumfahrt, Luftfahrt, Automobil-, Schienenfahrzeug- und Bootsbau, Sport- und Freizeitbedarf, Maschinenbau, Bauwesen, Windenergie Anwendungsbeispiele: Satelliten, Flugzeuge, Schiffsrümpfe, Silos, Windräder, Komponente im Automobilbau, Überrollbügel, Fahrradrahmen und -räder, Motorradräder, Carbonlamellen, Kanus, Kajaks, Skateboards, Skis und Snowboards, Trommelkörper Sammlungen Muster in folgenden Sammlungen: ETH Zürich Baubibliothek, Gewerbemuseum Winterthur, HSLU T+A Campus Horw, Sitterwerk St. Gallen, ZHdK Medien- und Informationszentrum Standort in der Sammlung ETH Zürich Baubibliothek: PS-VW-VF Kunstoffe > Faserverbundwerkstoffe Gewerbemuseum Winterthur: Kunststoff > Schublade 43 Bezugsquelle Bezugsquelle Sammlungsmuster: Suter Kunststoffe AG, Fraubrunnen Quellennachweis Verwendete Quellen: Arbeitsgemeinschaft Verstärkte Kunststoffe Technische Vereinigung e. V. (AVK-TV) (2004). Faserversta0rkte Kunststoffe und duroplastische Formmassen. Frankfurt a. M.: AVK-TV. Ehrenstein, G. W. (2006). Faserverbund-Kunststoffe. München, Wien: Carl Hanser Verlag. Ermanni, P. (2007). Composites Technologien. Vorlesungsskript. Zürich: ETH. MATERIAL ARCHIV / 5

5 Kirsten, M., Freudenberg, C. & Cherif, C. (2015). Carbonfasern, der Werkstoff des 21. Jahrhunderts. In: Beton- und Stahlbetonbau Spezial, Nr. 110, S Berlin: Ernst & Sohn. Kress, G. (2012). Mechanik der Faserverbundwerkstoffe. Vorlesungsskript. Zürich: ETH. Expertin / Experte: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Fachgruppe Faserverbundkunststoffe FVK Material-Archiv-Signatur: KUN_DUR_13 Text verfasst von: Gewerbemuseum, JB, 2016 Stand: (Online-Schaltung: ) Permalink: materialarchiv.ch/detail/126 MATERIAL ARCHIV / 5