Was ist Kohlefaser? Was macht diesen „Materialstern“ so gut?

Wenn es um Kohlefaser geht, haben Sie vielleicht schon davon in den nachrichten - Raketenpfeile, Hochgeschwindigkeitszüge, Drohnen, Rennwagenkarosserien und sogar hochwertige Badmintonschläger – überall ist dieses Material im Einsatz. Dieser scheinbar voller „Schwarzer Technologie“ steckende Werkstoff, was ist er eigentlich? Heute nehmen wir einfache Worte zur Hand, um Ihnen den „Superstar der Materialwelt“ vorzustellen.

Kohlenstofffaser, im Grunde „superschwere Kohlenstofffäden“

Einfach ausgedrückt ist Kohlenstofffaser eine anorganische Polymerfaser mit einem Kohlenstoffgehalt von 90 % oder mehr. Sie ist weder ein Metall noch ein Kunststoff, sondern ein „Kohlenstoffkristall“ – ein schwarzer Faden, der durch einen speziellen Karbonisierungsprozess entsteht, bei dem organische Fasern (wie Polyacrylnitril oder Asphalt) bei hohen Temperaturen behandelt werden, um Verunreinigungen zu entfernen.

Erscheinungsbild: nur 5–10 Mikrometer im Durchmesser (etwa 1/10 eines Haarstrangs), sieht mit bloßem Auge aus wie schwarzes Garn oder Wolle, fühlt sich jedoch „härter“ an als Draht aus Eisen.

Eigenschaften: "Leicht, stark, widerstandsfähig, stabil".

(1) Die Festigkeit beträgt das 7- bis 9-fache von Stahl, die Zähigkeit ist weit höher als bei Glasfasern;
(2) Dichte von nur 1,7 g/cm³, leichter als Aluminium (Dichte von Aluminium: 2,7 g/cm³)
(3) Hohe Temperaturbeständigkeit (schmilzt nicht über 2000 ℃), Korrosionsbeständigkeit (für Säuren und Laugen unbedenklich), Nichtleitfähigkeit (durch spezielle Behandlung leitfähig machbar).

Leistung „an und aus“: lächerlich leicht und überraschend hart

Die Besonderheit von Carbonfasern wird durch drei zentrale Vorteile begründet:

(1) Leicht wie eine Feder, aber stärker als Stahl:

Die Dichte beträgt nur 1,7–2,0 g/cm³ (ein Viertel von Stahl, zwei Drittel einer Aluminiumlegierung), doch die Zugfestigkeit kann 3000–7000 MPa erreichen (mehr als das Zehnfache von Stahl), und ein fingerdicker Carbonfaserstrang kann mehrere Tonnen schwere Autos heben.

(2) Steifigkeits-Explosion, stabil wie ein Fels:

Der Elastizitätsmodul (Maß für die Steifigkeit) liegt bei 200–600 GPa, Verformungen unter Belastung sind nahezu ausgeschlossen. Als Satellitenhalterung eingesetzt, ermöglicht er die präzise Haltung im Weltraum.

(3) Die „anti-build“-Eigenschaften werden voll ausgenutzt:

Hohe Temperaturbeständigkeit (in inerten Umgebungen bis zu 2000 ℃), Beständigkeit gegen Säuren und Laugen (im Meer jahrzehntelang korrosionsfrei), Ermüdungsbeständigkeit (wiederholte Belastung führt nicht leicht zum Bruch), vor diesem Material müssen selbst Metalle „kapitulieren“.

Warum ist Kohlenstofffaser ein „nationales strategisches Material“?

Die Herstellung von Kohlenstofffaser ist äußerst schwierig, und weltweit können nur wenige Länder hochwertige Kohlenstofffasern in großen Mengen produzieren (hauptsächlich China, Japan und die USA). Es ist nicht nur der „Grundpfeiler“ der Hochleistungs-Fertigung, sondern auch für Kernbereiche wie Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungssicherheit von entscheidender Bedeutung.

Zum Beispiel im militärischen Bereich: Kohlenstofffaser kann zur Herstellung von Rumpfstrukturen von Tarnkappenflugzeugen (wellenabsorbierend) oder von Raketenrumpfen (leichtgewichtig zur Reichweitensteigerung) verwendet werden; im Bereich der erneuerbaren Energien gilt: je länger die Windturbinenflügel, desto höher die Stromerzeugungseffizienz, und nur Kohlenstofffaser kann die 100-Meter-großen Rotorblätter dieser Giganten tragen.
In den letzten Jahren hat Chinas Carbonfaserindustrie rasche Durchbrüche erzielt, von der Abhängigkeit von Importen hin zur eigenständigen Massenproduktion und sogar zur dominierenden Position auf dem Weltmarkt in einigen Bereichen (wie Windenergie, Sportartikel).

Wie wird Carbonfaser „hergestellt“?

Die Besonderheit von Carbonfasern wird durch drei zentrale Vorteile begründet:

（1）Vorläufige Fadenherstellung

Polyacrylnitril (PAN), Pech und andere Rohstoffe werden durch einen Spinnprozess zu „Rohseide“ verarbeitet (ähnlich wie chemische Fasern). Dieser Schritt ist die Grundlage, und die Qualität der Rohseide bestimmt direkt die Leistungsfähigkeit der Carbonfaser (an diesem Punkt war China lange Zeit „festgefahren“).

（2）Karbonisierung

Die Rohseide wird unter Ausschluss von Sauerstoff schrittweise auf 1.000–3.000 Grad Celsius erhitzt, wodurch Elemente wie Wasserstoff und Sauerstoff entfernt werden und nur noch Kohlenstoffmoleküle übrig bleiben. Nach diesem Schritt steigt der Kohlenstoffgehalt der Faser von 50 % auf über 90 %, wodurch Festigkeit und Härte stark zunehmen.

（3）Weiterverarbeitung

Abhängig von der anwendung , werden Kohlenstofffasern zu Stoffen gewebt, zu Rohren aufgewickelt oder mit Harzen, Metallen usw. kombiniert, um „Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe“ (wie wir oft „Kohlenstofffaserplatten“ und „Kohlenstofffaserrohre“ nennen) herzustellen.

【Kaltwissen über Kohlenstofffaser】

F: Warum ist es schwarz?
A: Graphitstrukturen absorbieren nahezu das gesamte sichtbare Licht.

F: Angst vor Feuer?
A: Die Oxidation beginnt bei 400 °C in Luft, aber die Kapsel nutzt es als Hitzeschild.

F: Kann es recycelt werden?
A: BMW hat es ermöglicht, Autoteile aus verschrotteten Kohlenstofffasern wiederzuverwerten.