Kohlefaser vs. Glasfaser: Warum gibt es bei derselben Faserart einen so großen Unterschied in Preis und Leistung?

Kohlefaser vs. Glasfaser: Warum gibt es bei derselben Faserart einen so großen Unterschied in Preis und Leistung?

Haben Sie sich das schon einmal gefragt? Eine hochwertige Kohlefaserrute kann mehrere tausend Dollar kosten, während eine gewöhnliche Glasfaserrute bereits für Dutzende von Dollar zu haben ist. Beides ist „Faser“, klingt fast wie verwandt – warum klafft dann der Unterschied in Preis und Leistung wie ein Graben zwischen „Adel“ und „Bürger“? Heute werfen wir einen genaueren Blick auf Kohlefaser und Glasfaser, dieses Paar „Faserverwandter“, und untersuchen, worin ihre tatsächlichen inneren Unterschiede bestehen.

Unterschiedlicher Hintergrund: Der „Spross aus reichem Hause“ und der „Macher“ in der Welt der Werkstoffe.

Um die Unterschiede zu verstehen, müssen wir bei der „Abstammung“ anfangen.

Glasfaserverbundstoff

Der Hauptbestandteil ist Siliciumdioxid, und diese Rohstoffe sind in riesigen Reserven auf der Erde zu geringen Kosten verfügbar. Durch Hochtemperaturschmelzung, Ziehen und andere Verfahren wird daraus Glasfaser hergestellt. Es ist wie ein gemeinsamer Ursprung, aber ein besonders zäher „Macher“, der durch Kosteneffizienz die Welt herausfordert.

Kohlenstofffaser

Die Hauptkomponente ist Kohlenstoff. Die Vorläufer sind in der Regel organische Polymere wie Polyacrylnitril, Asphalt oder Viskosefasern. Diese Fäden müssen Tausende Grad hohe Karbonisierungs- und Graphitisierungsbehandlungen unter Schutzgas durchlaufen, um die nicht-kohlenstoffhaltigen Atome auszutreiben, und schließlich ein Übergut mit mehr als 90 % Kohlenstoffgehalt bilden. Dieser Prozess ist komplex, energieintensiv und weist hohe technische Hürden auf; in der Werkstoffindustrie wird er als „Stahl“ bezeichnet. Kohlenstofffaser ist daher auch vergleichbar mit einem sorgfältig herangezogenen, enorm viel Energie verbrauchenden ressourcen "reichen Nachwuchs“ oder „Spitzenathleten“.
Von Geburt an ist es auf Kostendifferenzen ausgerichtet. Eine Nutzung von „Sand“, eine Nutzung von „chemischen Rohstoffen + komplexen Prozessen“ – der „edle“ Preis des Kohlefasermaterials war bereits im Ansatz vorprogrammiert.

Leistungsvergleich: Warum ist Kohlefaser der "König"?

Es reicht nicht, nur die Datenblätter zu betrachten, man muss sich die Praxis anschauen. Hier ist eine Leistungsvergleichstabelle, damit Sie einen Eindruck bekommen:

Konzentrieren Sie sich auf den „Modul“ :Man kann sich den Modul als die „Steifigkeit“ des Materials vorstellen.

Glasfaserverbundstoff

Wie ein zäher Stock ist er stabil und lässt sich nicht leicht auseinanderziehen, aber wenn man ihn mit Gewalt bricht, verbiegt und verformt er sich deutlich.

Kohlenstofffaser

Wie ein harter Stahlstab ist er nicht nur stabil, sondern auch äußerst widerstandsfähig gegenüber Verformungen. Bei gleichbleibender Kraft zum Brechen bewegt er sich nahezu nicht.
Diese Eigenschaft des „Nicht-Nachgebens“ ist im hochwertigen Bereich entscheidend. Zum Beispiel:

(1) Formel-1-Auto: der Rahmen muss äußerst steif sein, um bei schnellen Kurvenfahrten eine präzise Lenkung zu gewährleisten; bereits geringste Verformungen können fatale Folgen haben.
(2) Luft- und Raumfahrt: flügel- und Rumpfstrukturen müssen unter hohen Belastungen minimale Verformungen aufweisen, um die aerodynamische Leistung und Sicherheit sicherzustellen.
(3) Hochwertiger Badmintonschläger: im Moment des Balltreffens gilt: Je geringer die Verformung des Schlägerrahmens, desto direkter die Kraftübertragung und desto klarer das Gefühl, was das Erlebnis durch „hochmodulige Kohlefaser“ ausmacht.

Jeder hat seine eigenen Nachteile

kohlenstofffasern:

(1) Sprödigkeit: obwohl es hart und stark ist, weist es eine schlechte Schlagzähigkeit auf und kann bei heftigem Aufprall durch spitze Gegenstände leicht brechen, anstatt sich zu verbiegen.
(2) Leitfähigkeit: dies ist sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil. Bei Anwendungen, bei denen Isolation erforderlich ist (wie beispielsweise bei elektrischen Geräten), wird dies zum potenziellen Risiko.
(3) Preis: noch einmal: teuer!

Glasfaserverbundstoff

(1) Gute Zähigkeit: die Schlagzähigkeit ist höher als bei Kohlefaser; nach einem Aufprall entsteht möglicherweise nur ein Riss, statt dass es sofort zersplittert.
(2) Gute Isolierung: hervorragende elektrische Isoliermaterialien, breiteres Anwendungsspektrum.
(3) Kostenvorteil: wo extreme Steifigkeit und geringes Gewicht nicht erforderlich sind, ist es der unersetzliche König der Kosten-Leistung.

Anwendungsszenario

Die "Arbeitsteilung" zwischen den beiden Faserarten ist gut etabliert und im Wesentlichen ein Abwägungsprozess zwischen "Leistungsanforderungen" und "Kostenbudget":

Kohlenstofffaser: der "Leistungskönig" im High-End-Bereich

(1) Luft- und Raumfahrt: flugzeugrumpf, Satellitenhalterungen (30 % Gewichtsreduzierung können den Kraftstoffverbrauch und die Startkosten erheblich senken);
(2) Hochwertige Fertigung: karosserien von Supersportwagen, Formel-1-Rennbauteile, Kohlenstofffaser-Räder (unter Berücksichtigung von Festigkeit und Leichtigkeit);
(3) Sportartikel: high-End-Badmintonschläger, Angelruten, Skier (hoher Elastizitätsmodul, präzisere Haptik);
(4) Spezielle Anwendungsbereiche: medizinische Geräte, militärische Ausrüstung (hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und keine magnetische Interferenz).

Glasfaser: „Praktisches Spiel“ im Bereich der Volkswirtschaft

(1) Bauindustrie: außenwand-Dämmplatten, glasfaserverstärkte Kunststoffplatten, korrosionsbeständige Wandpaneele (wetterbeständig und kostengünstig);
(2) Transportwesen: kühltransportwagen-Kompartimente, Wohnmobil-Außenhüllen, allgemeine Schiffsrümpfe (korrosionsbeständig, leicht formbar);
(3) Elektrik und Elektronik: leiterplatten-Substrat, Isolierhülse (gute Isolation, kosteneffektiv);
(4) Tägliche Gebrauchsgegenstände: glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)-Möbel, umweltfreundliche Abfalleimer, Rohre (langlebig und kostengünstig).

Zusammenfassend: Warum ist die Lücke so groß?

Zurück zur ursprünglichen Frage – die Antwort liegt auf der Hand:

Rohmaterial und Verfahren: Die Herstellung von Kohlenstofffaser ist ein „Phönix-aus-der-Asheraufstieg“, wobei die Kosten für Rohmaterialien und Verfahren deutlich höher liegen als bei der „Schmelzspinnung“ von Glasfaser.

Leistungsgrenze: Kohlenstofffaser erreicht bei den beiden Kernindikatoren spezifische Festigkeit und spezifischer E-Modul eine gegenüber Glasfaser überlegene Leistung, insbesondere in Bereichen mit höchsten Anforderungen an Steifigkeit und Gewichtsreduzierung ist sie unersetzlich.

Markt und Positionierung: Kohlefaser dient hochmodernen Industrien und anspruchsvollen Verbrauchern und ist ein „technologiegetriebenes“ Produkt; Glasfaser ist tief in einer Vielzahl von industriellen und zivilen Bereichen verankert und stellt ein „marktorientiertes“ Produkt dar.

Wenn Sie also das nächste Mal eine Kohlefaserrute oder einen Fahrradrahmen aus Kohlefaser in die Hand nehmen, spüren Sie nicht nur die Leichtigkeit und Härte des Produkts, sondern auch eine ganze Palette fortschrittlicher Materialwissenschaft, komplexer Technologien und die Verdichtung der Suche nach extremer Leistung. Glasfaser hingegen ist ein stiller, zuverlässiger und erschwinglicher „alter Freund“ in unserem Alltag.