Carbon was ist das????

Nachdem hier ja immer wieder die frage auftaucht ist Carbon gut oder schlecht,ist es das Geld wert das ich dafür ausgebe,werde ich heute mal mein Gehirn und meine Lehrbücher etwas Erforschen und in 2,3-Kapiteln mal die wichtigsten Fakten zusammen fassen.
Falls Interesse besteht kann man es ja noch ausweiten,wäre auch super wenn jemand der mit der Materie auch vertraut ist auch Input geben könnte.



Kohlenstoff-Fasern(engl.Carbon Fiber) sind Fasern mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit,aber mit geringer Bruchdehnung.
Als Ausgangsmaterial haben sich 3 Arten durchgesetzt.

Zellulose:hat eine nich so perfekte Oberfläche und wird meist für thermisch Hochbelastet Bauteile verwendet.

Polyacrylnitril(PAN):ist die heute meistverbreitestet Faser und hat die Zellulose ziemlich abgelöst.

Pech(e):werden trotz hohem Reinigungsaufwand kostengünstige Fasern Hergestellt,haben eine hohe Steifigkeit aber eine niedrige Druckbeständikeit,werden meist für feste(HT) und Hochfeste(HM) Bauteile eingesetzt.

Die Faser wird in einem mehrstufigen Ausglühverfahren(Temperaturen bis 1800C) gewonnen,bei dem alle Nebenprodukte verglüht werden bis die reine Graphitstruktur über bleibt.Der Name Carbon-Fiber oder Kohlenstoff ist rein chemisch gesehen falsch,des ja eigentlich Graphit ist und nicht Kohle,aber da die Faser schwarz wie Kohle ausieht hat sich der Name so durchgesetzt.

Carbon Fasern werden in 4-Gruppen Eingeteilt.

High Tenacity(HT) Standart oder auch Consumer Faser Zugfestigkeit zwischen 3000-5000N/mm²

Intermediate Modulus(IM) Mittelsteif Zugfestigkeit zwischen 3800-6300N/mm²

High Modulus(HM) Hochsteif Zugfestigkeit zwischen 3000-4500N/mm²

Ultra High Modulus(UHM) Ultrasteif Zugfestigkeit zwischen 2800-5000n/mm²
Die oben Angeführten Zugfestigkeiten sind Unbehandelte Fasern und nicht
zu verwechseln mit dem E-Modul
Werde etwas später,bei interresse,noch genauer darauf eingehen.

Handelsformen
Gewebe(Matten):meist aus sich im rechten Winkel kreuzenden Fäden(Rovings)vergleichbar mit
einem Stoffgewebe.Es können verschiedene Webmethoden verwendet werden,die drei häufigsten
Unidirektional:Ein dünner Schußfaden fixiert die Kettenfäden,vorteil es kann mehr Kleber(Matrix)
ins Gewebe eingebracht werden,hohe Fetsigkeit und Steifigkeit in Einachsiger Bewegung.

Mischgewebe:wie der Name schon sagt hier können verschiedene Fasern miteinander Vergoben sein.
Man kann dadurch die teure und günstige Fasern mischen bzw.auch Bauteile mit ganz speziellen
Eigenschaften erzeugen.

Rovings:Faserbündel die wiederum aus 6-12.000 Spinnfäden bestehen und zusammen gebündelt
werden,meist 20-60 parallel gezogene Fäden.

Fasern:meist Gemahlene Einzelfasern.Vorteil man kann sie in jede Form Spritzen aber bei deutlich
geringerer Festigkeit des fertigen Bauteils.

Hoffe der erste Teil war interessant versuche die Thematik so einfach wie es geht zu erklären.
Ich möchte noch etwas auf die "Technischen Eigenschaften"von Carbon eingehen.
Wie ja bereits erwähnt gibt es verschiedene Carbon Qualitäten,mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Die vorher erwähnten Zugfestigkeiten sind Werte von Fasern gleich nach der Produktion unveredelt und
unbehandelt.
Es lassen sich durch zusätzlich Wärmebehandlung(bis 2500 C) aber auch Fasern Erzeugen mit einer
theoretischen Zugfestigkeit bis 1.000.000N/mm² das jedoch den Nachteil hat das diese Faser eine im
Verhältnis sehr geringe Bruchfestigkeit haben ca.4.000N/mm²
Auch lassen sich durch eine Temperaturbehandlung(bis 3000C)und gleichzeitiger Streckung der Faser
sogenannte Hochfeste Fasern(HT-C) und Hochmodule Fasern(HM-C) Fasern Erzeugen

Generelle Vor und Nachteile von Carbonfasern

Hochfest und Hochsteif bei Temperaturen bis ca.500C
sehr gut Korrosionsbeständig
gute Körperverträglichkeit(Implantate)
Keine Radarreflexion
Dauerschwingfest
langsamer Abbrand im Verbund
gut elektrisch und thermisch Leitend

Empfindlich gegen starke Oxidationsmittel
spröde und sehr knick empfindlich beim Verarbeiten
Oberflächenschutz erforderlich
guter Strahlendurchgang
Fasern härten bei langer Lagerung aus und werden spröde

Die Faser selbst kann nicht Eingefärbt werden und ist daher immer schwarz.
Es kann aber der Kleber(Matrix) eingefärbt werden,das geschieht aber meist
nur aus Optischen und weniger aus Praktischen nutzen und wird mit Metalloxiden gemacht.
Weiterer Nachteil ist das die"Färbemittel"meist sehr hart sind und somit die Faser schädigen
können,die gängigsten Farben sind.

blau=Kobalt
grün=Chromoxid
rot=Eisenoxid
schwarz=Ruß oder Eisenoxid
weiß=Titandioxid
transparend=Zinksulfid

So das solls für heute mal wieder gewesen sein,hoffe es interresiert euch.

Hätte mir gedacht ich schreibe noch was über das sogenannte E-Module
damit wird eigentlich die Qualität bei Carbon bestimmt und auch noch
kurz etwas über die Kleber(Matrix)

Wenn jemand noch Infos hat,oder ich wo blödsinn verzapft habe immer raus
damit

Wie bereits oben erwähnt gibt es Fasern in unterschiedlicher Qualität.
Um eine gewisse notwendige Elastizität(E-Modul) eines Bauteiles zu erreichen muss man zwangsläufig Fasern unterschiedlicher Qualität untereinander mischen.
Auch von entscheidender Bedeutung ist der Kleber(Matrix) ziel jeder Entwicklung bzw.jedes Entwicklers ist es so wenig wie möglich Kleber in einem Bauteil einsetzten zu müssen(könne),da die Kleber immer ein unterschiedliches E-Modul als die Fasern haben und somit auch einen sehr großen und nur schwer zu Berechnenden Einfluss auf das E-Modul haben.
Auch ist die dicke und die Ausrichtung der Fasern zu einander sehr entscheidend,im Idealfall sind die Faserlagen immer 45grad zu vorhergehenden versetzt.
Das E-Modul darf nicht mit der Zug(liegt immer höher)bzw.Druckfestigkeit(ist meist niedriger)der Faser verwechselt werden.
Auch lässt sich ein E-Modul über ein sogenanntes Spannungs-Dehnungsdiagramm Errechnen,wo sich dann im sogenannten Knie der genaue Versagenszeitpunkt zeigt,es ist jedoch eine Überprüfung in der Praxis immer sinnvoll.
Ich werde versuchen hier einige Diagramme zum einfacheren Verständnis einzubauen,das aber nicht so einfach ist da die meisten ein Copyright haben und ich weder mir noch dem Forum ärger einhandeln will

Im Vorhergehenden Beitrag habe ich versucht die Carbonfaser so gut und einfach wie möglich zu beschreiben.
Da aber Carbon nicht Carbon ist und auch nicht nur aus Fasern besteht,folgen nun ein paar Details.

Die Fasern selber werden durch einen Kleber(Matrix)zusammen gehalten,wobei man zwischen DURO und THERMOplastischen
Klebern unterscheidet,fertige Bauteile heißen in der Fachsprache dann auch Faserverbundwerkstoffe (FVK)
Was ist die Aufgabe der Matrix:a.Kräfte in die Faser einzuleiten
b.Die Kräfte von Faser zu Faser zu übertragen
c.Dem Bauteil seine Form zu geben und die Fasern vor Beschädigung zu schützen
Bei der Verarbeitung der Fasern zu einem Bauteil müssen die Fasern zuerst mit einem Haftvermittler bearbeitet werden,hier ist wichtig das dieser möglichst Blasenfrei und und die Fasern komplett umschließt.
Die meist verbreitetsten Harze sind die Duroplaste,meist kommt ungesättigtes Poleyesterharz(UP) oder Epoxidharz(EP) zum einsatz,hier unterscheidet man wiederum zwischen kalt und warm härtenden Harzen,ausgenommen EP das nur heiß Verarbeitet wird.

kalthärtendes UP:Verarbeitungstemperatur ca.10-40C
heiß härtendes UP:Verarbeitungstemperatur ca.140C
heiß härtentes EP:Verarbeitungstemperatur ab 130C

Vorteil der Duroplaste,schnelle Verarbeitung(kann mit härter,Beschleuniger und Wärme zufuhr gesteuert werden),wenig Energieaufwand,hohe durchdringung der Faser,sehr hohe Steifigkeit und Festigkeitswerte,gute chmikalien beständigkeit.

Nachteil:Begrenzte Thermische belastbarkeit,durch die hohe Festigkeit ergibt sich ein sprödes Bruchverhalten,die für die Verarbeitung nötigen Löse-Vernetzungs,und Beschleunigermittel(Styrol,Kobalt,Amin udgl.)sind stark Gesundheits gefährdent.

Thermoplaste gibt es als Kurzfaser(0,2mm) Langfaser(bis ca.25mm)Thermoplaste(LFT) und endlosfaser,auch können Thermoplaste nur im heiss Verfahren(ab ca.200C) verarbeitet werden,hier ergibt sich das grösste problem bei Thermoplasten
da sie die Faser nicht durchdringen sondern nur auf die Faser Aufgeschmoltzen sind und somit eine niedrigere Steifigkeit und Chemische beständigkeit gegenüber den Duroplasten haben,weisen jedoch eine höher Zähigkeit auf dadurch eine höher Schadenstoleranz auf.
Es treten aber während der Verarbeitung keine giftigen Reaktionen auf.
Thermoplaste werden meist mit kurzfasrigen Fasern(0,2mm) Verarbeitet und sind die am meist genutzten FVK-Teile am Markt
z.B.Polypropylehn,Polyamid,Polyester,Polycarbonat.

So das wars erstmal wieder werde heute oder morgen noch was zum Versagensverhalten schreiben und dann sollte eigentlich das meiste gesagt sein.
Wenn wer Anregungen oder Kommentare dazu abgeben will,immer her damit.

Auf zum letzten Teil der Carbon Geschichte

Versagen bzw.Versagensverhalten

Bei FVK-Teilen wird zwischen einem Zwischenfaserbruch,Faserbruch und einem total Versagen des Bauteils unterschieden.
Letzteres bedarf wohl nicht wirklich einer Erklärung,wobei hier immer die beiden vorhergehenden Brüche Einfluss auf das total Versagen eines Bauteils haben.

Der Zwischenfaserbruch(Zfb)entsteht wenn die Druck bzw.Schubfestigkeit in der Matrix erreicht wird und sich diese von der Faser
löst wobei die Faser meist unbeschädigt bleibt,Hauptursache für dieses versagen ist das die Matrix meist spröder ist als die Faser selbst,der Riss selbst beginnt immer am Scheitel und erst wenn sich diese Lokalen risse zu einem Querriß vereinigt haben kann die Schicht,lokal,keine Kräfte mehr Übertragen diese müssen dann die anderen Schichten übernehmen.
Die Querrißbildung ist kein spontaner Prozeß sondern ein fortschreitender und wirkt sich somit auf das E-Modul aus.

Faserbruch-Die Faser liegt um das Bauteil stabiler zu machen in der Matrix,bricht eine Faser wird die Last über Schubspannungen von der Matrix auf andere Fasern Übertragen,die gebrochene Faser fällt somit nur in diesem Teilbereich aus.
Ist jedoch keine Haftung mehr zwischen Matrix und Faser vorhanden,Beispiel zu schnelles Aushärten der Matrix oder schlechtes aufbringen des Haftvermittlers,kann keine Last von einer Faser zur anderen Übertragen werden und die Festigkeit entspricht die einer einzelnen Faser.
Durch die nun hier auftreteten Spannungsspitzen kann es zu Zfb und weiteren Faserrissen kommen bis zur sogenannten Delaminatation,das völlige versagen des Laminates.