Kohlefaser: Wie man dieses revolutionäre moderne Material verklebt

Kohlefaser hat sich zu einem der wichtigsten Materialien in der modernen Technik entwickelt. Von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zu Sportgeräten und erneuerbaren Energien bietet dieser fortschrittliche Verbundwerkstoff eine bemerkenswerte Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und Designflexibilität, die die Art und Weise, wie Ingenieure strukturelle Herausforderungen lösen, neu gestaltet.

In diesem Artikel erklären wir, was Kohlefaser ist, wie sie hergestellt wird und warum sie so beliebt geworden ist. Wir erörtern, warum die Industrie zunehmend auf das Kleben zurückgreift (anstelle der traditionellen mechanischen Befestigung), um Carbonfaserteile zu verbinden. Außerdem geben wir praktische Tipps zum Kleben von Kohlefasern mit Klebstoffen und erkunden industrielle Anwendungen, bei denen das Kleben die bessere Wahl ist.

Was ist Kohlefaser?

Kohlenstofffasern bestehen aus extrem dünnen Filamenten (typischerweise 5-10 Mikrometer im Durchmesser), die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einer graphitischen Kristallstruktur gebunden sind. Diese mikroskopisch kleinen Kristalle sind über die gesamte Länge der Faser angeordnet. Dies führt zu einer sehr hohen Zugfestigkeit und Steifigkeit, während die Dichte gering bleibt.

Herstellungsprozess

Die Herstellung von Kohlenstofffasern beginnt mit einem Polymervorprodukt, meist Polyacrylnitril (PAN). Der Herstellungsprozess umfasst mehrere wichtige Schritte:

1. Spinnen
   

   Der PAN-Vorläufer wird zu langen Fasern gesponnen.

2. Stabilisierung
   

   Diese Fasern werden an der Luft erhitzt, um sie zu oxidieren und eine stabile, leiterartige Struktur zu erzeugen.

3. Karbonisierung
   

   Bei Temperaturen von 1.000-1.500 °C in einer inerten Atmosphäre werden Nicht-Kohlenstoff-Elemente wie Wasserstoff und Stickstoff ausgetrieben, so dass eine kohlenstoffreiche Faser übrig bleibt.

4. Graphitierung (optional)
   

   Eine weitere Wärmebehandlung (bis zu ~3.000 °C) verbessert die Ausrichtung der Kohlenstoffkristalle für eine noch höhere Steifigkeit.

5. Oberflächenbehandlung & Schlichten
   

   Die Fasern werden behandelt und beschichtet, um die Haftung an der Harzmatrix bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen zu verbessern.

Nach der Verarbeitung werden diese Fasern in der Regel zu Geweben gewebt und mit einer Polymermatrix (oft Epoxid) zu kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFRP) kombiniert, die die häufigste industrielle Form von Kohlenstofffasermaterial sind.

Im folgenden Video erfahren Sie mehr über die Herstellung von Carbonfasern (auf Englisch).

Warum ist Kohlefaser so beliebt?

Sie sieht nicht nur schön aus – mehrere Eigenschaften unterscheiden Kohlefaser von herkömmlichen Materialien.

• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis – Kohlefaser ist stärker als viele Metalle bei einem Bruchteil des Gewichts.
• Hohe Steifigkeit – es hat eine ausgezeichnete Steifigkeit für strukturelle Anwendungen.
• Geringe thermische Ausdehnung – es behält seine Dimensionsstabilität bei Temperaturschwankungen bei.
• Korrosionsbeständigkeit – daher ideal für raue Umgebungen.
• Ermüdungsbeständigkeit – Kohlefaser bietet eine hervorragende Leistung bei zyklischer Belastung.

Diese Eigenschaften haben zu einer schnellen Akzeptanz in vielen Branchen geführt, insbesondere dort, wo Gewichtsreduzierung und Leistung besonders wichtig sind (z.B. bei Sportwagen und Flugzeugen).

In der Luft- und Raumfahrt können Kohlefasern Aluminium in Rumpfplatten und Flügelhäuten ersetzen; in der Automobilindustrie ermöglichen sie leichtere Karosseriestrukturen, die die Effizienz und das Handling verbessern; in der Windenergie sorgen sie für steife und dennoch leichte Rotorblätter, die eine höhere Energieausbeute liefern können.

Auto-Innenverkleidung aus Kohlefaser

Welche Materialien werden durch Kohlefaser ersetzt?

Kohlefaserverbundwerkstoffe werden häufig traditionellen Materialien wie z.B.:

Stahl

Stahl ist zwar stark, aber auch schwer und korrosionsanfällig. Kohlefaser bietet eine vergleichbare mechanische Leistung, ist aber wesentlich leichter. Dies trägt zur Steigerung der Effizienz von Fahrzeugen und Flugzeugen bei.

Aluminium

Aluminium ist zwar leichter als Stahl, aber das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht ist immer noch schlechter als bei Kohlefaser. CFK weist außerdem eine bessere Ermüdungsbeständigkeit als Aluminium auf, was es ideal für dynamische Belastungen macht.

Titan

Titan vereint Stärke und Korrosionsbeständigkeit, ist aber teuer. Bei vielen strukturellen Anwendungen, bei denen Kosten und Gewicht entscheidend sind, bietet Kohlefaser eine vergleichbare Leistung zu niedrigeren Gesamtkosten.

Glasfaser-Verbundwerkstoffe

Kohlefaser-Verbundwerkstoffe übertreffen GFK in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit, so dass sie für Hochleistungsanwendungen, bei denen die Kosten zweitrangig gegenüber der Materialleistung sind, vorzuziehen sind.

Wie verklebt man Kohlefaser? Kleben von Kohlefaser mit Klebstoffen

Eine der effektivsten Methoden zum Verbinden von Kohlefaserkomponenten ist das Kleben, aber es ist nicht so einfach wie das Zusammenkleben von zwei Oberflächen. Um erfolgreich zu sein, müssen Sie sowohl das Material als auch die Klebstofftechnologien kennen, die sich am besten dafür eignen.

Warum Klebstoffe wählen?

Kleben bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen mechanischen Befestigungen (Schrauben, Nieten, Schweißnähte):

• Kein Bohren erforderlich
  

  Bohrer schneiden Kohlenstofffasern und schwächen Verbundwerkstoffe; Klebstoffe vermeiden dies vollständig.

• Gleichmäßige Lastverteilung
  

  Klebstoffe verteilen die Lasten über die verklebte Fläche und reduzieren so Spannungskonzentrationen.

• Gewichtsreduzierung
  

  Im Vergleich zu Befestigungselementen aus Metall bringen Klebstoffe nur ein geringes zusätzliches Gewicht auf die Waage, was in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung ist.

• Verbesserte Leistung bei Ermüdung
  

  Klebeverbindungen halten zyklischen Beanspruchungen besser stand als punktgehaltene Verbindungen.

• Korrosionsmanagement
  

  Klebstoffe können Kohlefasern von Metallteilen isolieren, die sonst durch galvanische Reaktionen korrodieren könnten.

• Erzeugt eine 100%ige Abdichtung (im Gegensatz zu gebohrten Löchern mit einem durchgehenden Befestigungselement)

Diese Vorteile machen Klebstoffe zu einer immer häufigeren Wahl für die Verbindung von Kohlefaser mit Kohlefaser sowie mit anderen Materialien wie Aluminium, Stahl oder Titan.

Herausforderungen bei der Verklebung von Kohlefasern

Trotz der oben genannten Vorteile gibt es einige wichtige Faktoren, die Sie berücksichtigen müssen, bevor Sie Kohlefaser mit Klebstoffen verkleben. Diese sind:

• Kontamination der Oberfläche
  

  Bei der Herstellung verwendete Trennmittel können die Haftung beeinträchtigen. Die meisten Klebstoffe benötigen eine saubere Oberfläche, um effektiv zu kleben.

• Niedrige Oberflächenenergie
  

  Einige Polymermatrizen haben eine niedrige Oberflächenenergie, was die Haftung ohne geeignete Oberflächenvorbereitung erschwert. Dies kann dazu führen, dass Kohlenstofffasern in einigen Fällen einem Polyolefin wie PE oder PP ähneln und daher schwieriger zu verkleben sind.

• Anisotropie
  

  Kohlefaserverbundwerkstoffe haben richtungsabhängige Eigenschaften. Mit anderen Worten, sie sind in bestimmten Richtungen stärker als in anderen, und das Design der Klebeverbindungen muss dies berücksichtigen.

• Ungleiche thermische Ausdehnung
  

  Bei der Verklebung von CFK mit Metallen können Unterschiede in der Wärmeausdehnung zu Spannungen an der Verbindungslinie führen. Die Kohlefaser selbst hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) – oft bei oder unter Null, was sie bei höheren und niedrigeren Temperaturen sehr stabil macht. Andere Substrate wie Kunststoffe haben dagegen einen viel höheren WAK. Wenn der von Ihnen gewählte Klebstoff nicht mit den unterschiedlichen Raten des Quellens und Schrumpfens von Substraten mit der Temperatur umgehen kann, wird er nicht sehr lange halten.

Diese Faktoren erhöhen zwar die Komplexität, können aber mit der richtigen Vorbereitung und der Auswahl des Klebstoffs effektiv gehandhabt werden.

Wie man Kohlefaser verklebt: Die Wahl des richtigen Klebstoffs für dieses Substrat

Für die Verklebung von Kohlefasern kann eine Vielzahl von Klebstofftypen verwendet werden, die jeweils für unterschiedliche Anforderungen geeignet sind:

Epoxid-Klebstoffe

Epoxidharze gehören aufgrund ihrer hohen strukturellen Festigkeit und Kompatibilität mit Verbundwerkstoffmatrizen zu den am häufigsten verwendeten Klebstoffen für Kohlenstofffasern. Es sind sowohl Einkomponenten- als auch Zweikomponenten-Epoxide üblich.

• Einkomponentige Epoxidharze bieten Festigkeit, Hitzebeständigkeit und eine gute vertikale Spaltfüllung. Sie benötigen jedoch Wärme zum Aushärten.
• Zweikomponenten-Epoxide wie Permabond ET5428/ET5429 bieten hohe Festigkeit und Zähigkeit und können Kohlefasern mit anderen Substraten wie Aluminium und Stahl verbinden. Im Gegensatz zu 1K-Epoxiden härten sie bei Raumtemperatur vollständig aus.

Strukturelle Acryle

Strukturelle Acrylate (z.B. Systeme auf Methylmethacrylat-Basis) bieten eine hohe Schälfestigkeit und Schlagzähigkeit, so dass sie sich für Anwendungen mit dynamischen Belastungen eignen oder wenn eine gewisse Flexibilität in der Verbindung erforderlich ist.

Permabond TA4208 ist ein strukturelles Acrylat auf MMA-Basis, das sich sehr gut mit Kohlefasern verbindet und starke, dauerhafte Verbindungen schafft, die nach dem Auftragen nicht absacken oder durchhängen. Es kann durch ölige Oberflächen und Oxidschichten hindurchkleben und ist tiefschwarz, farblich passend zur Kohlefaser.

Cyanacrylate

Cyanacrylate sind gemeinhin als “Sekundenkleber” bekannt und bieten im Allgemeinen eine geringere langfristige Festigkeit bei Verbundwerkstoffen. Sie eignen sich eher für Befestigungen oder temporäre Positionierungen als für primäre strukturelle Verbindungen.

Da Kohlefasern häufig in strukturellen Anwendungen eingesetzt werden, die starken Vibrationen, Schäl- und Stoßkräften ausgesetzt sein können, werden normalerweise kautschukgehärtete Klebstoffe bevorzugt, da sie unter diesen Bedingungen eine höhere Beständigkeit aufweisen.

Oberflächenvorbereitung: die Grundlage für eine starke Verbindung

Neben der Wahl des richtigen Klebstoffs wie Permabond ET5428, ET5429 oder TA4208 erzielen Sie konsistente Ergebnisse beim Verkleben von Kohlefasern, wenn Sie die folgenden Schritte im Vorfeld beachten:

1. Entfetten: Wischen Sie die Kohlefaser mit Aceton oder Isopropanol ab, um alle Öle zu entfernen.
2. Abschleifen: Verwenden Sie Schleifpapier oder Schleifpads, um den Glanz zu entfernen und die Oberfläche aufzurauen.
3. Erneut reinigen: Wischen Sie den Staub vom Schleifen/Abschleifen ab.
4. Trocknen: Stellen Sie sicher, dass die Oberfläche vollständig trocken ist. Dann sind Sie bereit für die Verklebung!

Dadurch wird sichergestellt, dass der Klebstoff einen tieferen Kontakt mit der Kohlefaser herstellen kann, was die Festigkeit und Haltbarkeit der Verbindung maximiert.

Praktische Tipps für die erfolgreiche Verklebung von Kohlefasern:

Die folgenden Tipps können Ihnen helfen, Ihre Chancen auf eine starke, lang anhaltende Verklebung von Kohlefaser zu maximieren.

• Anleihebereich maximieren
  

  Breitere Haftflächen verteilen die Lasten gleichmäßiger und verbessern die Leistung. Sie ermöglichen Unterschiede im WAK und bieten somit eine bessere Temperaturbeständigkeit.

• Decken Sie alle Bereiche ab, die nicht abgeschliffen/gekratzt werden sollen.

Dadurch wird sichergestellt, dass diese Bereiche bei der Oberflächenvorbereitung nicht beschädigt werden.

• Vermeiden Sie Schälstress
  

  Konstruieren Sie die Fugen so, dass Scherung und nicht Schälung die vorherrschende Spannungsart ist.

• Kontrolle der Klebstoffdicke
  

  Verwenden Sie Abstandshalter oder kontrollierte Dosierungstechniken, um eine gleichmäßige Dicke der Bondlinie zu gewährleisten.

• Berücksichtigung von thermischen Effekten
  

  Wählen Sie bei Konstruktionen mit Temperaturschwankungen Klebstoffe und Verbindungsgeometrien, die unterschiedliche Ausdehnungen aufnehmen können. Permabond ET5428 und ET5429 sind kautschukvergütet und bieten die nötige Flexibilität für Unterschiede im WAK zwischen den Substraten.

• Aushärten unter kontrollierten Bedingungen
  

  Temperatur, Feuchtigkeit und Einspannung können die Aushärtung und die endgültigen Verbindungseigenschaften beeinflussen.

• Entscheiden Sie sich für sehr dunkelgraue / anthrazitfarbene / schwarze – farbige Klebstoffe

Dies gewährleistet ein farblich abgestimmtes, glattes Erscheinungsbild am Ende.

• Eine saubere “Hohlkehle” oder ein Meniskus aus Klebstoff entlang der Klebekante

Dadurch wird die Fuge widerstandsfähiger gegen Schäl- oder Spaltkräfte und undurchlässig für Flüssigkeiten.

Wo wird Kohlefaser in der Industrie eingesetzt?

In der gesamten Industrie gibt es viele Anwendungen, bei denen die Verklebung von Kohlefasern gegenüber mechanischen Befestigungen oder anderen Methoden der Verklebung bevorzugt wird.

Luft- und Raumfahrt

Von Rumpfplatten bis hin zu Tragflächenstrukturen verlassen sich Hersteller in der Luft- und Raumfahrt auf Klebeverbindungen, um die Festigkeit zu erhalten und gleichzeitig das Gewicht zu minimieren. Klebstoffe unterstützen auch die Verbindung von CFK mit Metallen wie Titan in Hybridstrukturen.

Automobilindustrie

In Hochleistungsfahrzeugen und Elektroautos helfen Karosserieteile und Strukturverstärkungen aus Kohlefaser, das Gewicht zu reduzieren und die Reichweite und Agilität zu verbessern.

Windenergie

Große Verbundwerkstoff-Blattbaugruppen werden mit fortschrittlichen Strukturklebstoffen an Holme und Beschläge geklebt, die eine Ermüdungsbeständigkeit über Millionen von Lastzyklen bieten.

Marine

In Booten und Schiffskonstruktionen ermöglichen Klebstoffe die Integration von Kohlefaserverstärkungen in Schiffsrümpfe und Decks, ohne dass es zu Spannungserhöhungen durch Bohrungen kommt.

Medizin & Prothetik

Hochleistungsprothesen werden aus einer Kombination von leichten Verbundwerkstoffen – insbesondere Karbonfasern – in Verbindung mit anderen Materialien hergestellt, um beeindruckende Prothesen herzustellen.

Industrie & Bauwesen

Auf Stahl und Beton geklebte Kohlefaserplatten werden zur Verstärkung von Brücken, Gebäuden und anderen Infrastrukturen verwendet und stellen eine leistungsstarke Nachrüstungslösung dar.

Sportartikel

Fahrräder, Schläger, Skier und Helme sind alles Beispiele, bei denen das Kleben komplexe Multimaterial-Verbindungen mit hervorragender Festigkeit und Ästhetik ermöglicht.

Abschließende Gedanken

Kohlefaser hat sich zu einem revolutionären technischen Material entwickelt, das für sein geringes Gewicht, seine hohe Festigkeit und seine Haltbarkeit geschätzt wird. Seine Verbreitung in allen Branchen spiegelt den Trend zu effizienteren und leistungsfähigeren Strukturen wider.

Kleben, wenn es mit den richtigen Materialien, der richtigen Vorbereitung und dem richtigen Design erfolgt, erschließt das volle Potenzial von Verbundwerkstoff-Baugruppen. Da Klebstoffe die Nachteile mechanischer Befestigungen vermeiden und leichtere, stärkere und ermüdungsresistentere Verbindungen ermöglichen, werden sie in vielen hochmodernen Kohlefaseranwendungen zur bevorzugten Verbindungsmethode.

Wenn Sie mehr über Permabonds Lösungen für die Verklebung von Carbonfasern erfahren möchten oder Ihr Projekt mit uns besprechen wollen, nehmen Sie bitte Kontakt mit uns auf.