Kunststoff-Lexikon

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK), auch carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder englisch carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP), umgangssprachlich verkürzt auch Carbon oder Karbon, ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix, meist Epoxidharz, eingebettet sind. Der Matrix-Werkstoff dient zur Verbindung der Fasern sowie zum Füllen der Zwischenräume. Es sind auch andere Duroplaste oder auch Thermoplaste als Matrixwerkstoff möglich und gebräuchlich.

CFK kommt besonders dort zum Einsatz, wo für eine geringe Masse und gleichzeitig hohe Steifigkeit die erhöhten Kosten in Kauf genommen werden. Bekannte Beispiele sind Fahrradrahmen oder Angelruten.

Beschreibung
CFK besteht aus Kohlenstofffasern, die in eine Matrix aus Kunststoff eingebettet sind. Dabei profitieren die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Verbunds vor allem von der Zugfestigkeit und der Steifigkeit der Kohlenstofffasern. Die Matrix verhindert, dass sich die Fasern unter Belastung gegeneinander verschieben. Dazu muss die Matrix auf der Faser haften, ansonsten versagen die Bauteile durch Faser-pull-out.

Die Festigkeit und die Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials sind in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist die Festigkeit geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden z.T. einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Die Faserrichtungen werden vom Konstrukteur festgelegt, um eine gewünschte Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen. Die gesamte Auslegung eines Bauteils wird meist mittels Berechnung nach der klassischen Laminattheorie unterstützt.

Kohlenstofffasern haben im Vergleich zu Werkstoffen wie Stahl eine deutlich geringere Dichte (~ Faktor 4,3). Zusätzlich sind sie in Faserrichtung, je nach Fasertyp, etwas (ca. 10-15 %) oder sogar deutlich (ungefähr Faktor 2) steifer als Stahl. Auf diese Weise entsteht ein sehr steifer Werkstoff, der sich besonders für Anwendungen mit gerichteter Hauptbelastungsrichtung eignet, bei denen es auf eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit ankommt. Häufig müssen Faserverbund-Bauteile, um dieselben Kräfte wie ein entsprechendes Metall-Bauteil auszuhalten, voluminöser entworfen werden, was den Gewichtsvorteil reduziert.

Anwendungen
Bauteile aus faserverstärkten Materialien sind teuer in der Herstellung verglichen mit Metallbauteilen gleicher Belastbarkeit. Daher kommen sie vor allem in Bereichen zum Einsatz, in denen ihre Vorteile (meist Gewichtseinsparung) ein mindestens entsprechend hohes Kosten-Einspar-Potential bewirken:

• Luft- und Raumfahrt;
• teilweise im Fahrzeugbau;
• im Bauwesen wird CFK als Bewehrung von Betonbauteilen verwendet oder
  in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche
  geklebt, um Bauwerke zu verstärken.

Mitunter wird die Gewichtseinsparung auch durch andere Interessen gestützt, wie z. B. bequemere Handhabung oder langsamere Ermüdung des Benutzers:

• Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Speedskates, Tennisschläger und Angelru-
  ten.
• Sportpfeile
• Im Flugmodellbau wird CFK sowohl als Verstärkung (z.B. Tragflächenholm)
  wie auch als Material zum Bau von besonders hochwertigen und leistungs-
  fähigen Flugmodellen verwendet.

Von einigen Automobilherstellern werden vor allem aus ästhetischen Gründen Elemente der Fahrzeuginnenausstattung aus Carbon oder in Carbon-Optik angeboten.

Quelle; Wikipedia,
https://de.wikipediaorg/wiki/Kohlenstofffaserverstärkter_Kunststoff

 

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