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Chemie

Struktur und eigenschaften von kunststoffen

Eigenschaften und anwendungen von kunststoffen

Was sind Carbonfasern und Wie wird Carbon hergestellt?

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Was sind Carbonfasern und Wie wird Carbon hergestellt?

kiki

@chiara.gsh

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Carbonfasern sind hochfeste und leichte Fasern aus Kohlenstoff, die in vielen Hightech-Anwendungen zum Einsatz kommen. Sie zeichnen sich durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften und chemische Beständigkeit aus.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein wichtiger Verbundwerkstoff mit Carbonfasern als Verstärkung
Carbonfasern werden hauptsächlich aus Polyacrylnitril oder Pech durch Pyrolyse hergestellt
Anwendungsgebiete umfassen Luft- und Raumfahrt, Sportgeräte und Automobilbau
Die anisotrope Struktur verleiht Carbonfasern ihre hohe Festigkeit in Faserrichtung

5.11.2021

456

Ksenia & Chiara
Carbonfasern Inhaltsverzeichnis
●
●
●
Allgemein
Struktur
Herstellung
Gebrauch und Vorkommen Allgemein
K
ir
k
D
10 μm Allgeme

Verwendung und Vorkommen von Carbonfasern

Carbonfasern finden aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in vielen Bereichen Anwendung. Ihr geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit macht sie besonders attraktiv für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Example: In der Luftfahrt werden Carbonfasern beispielsweise im Seitenleitwerk des Airbus A380 oder im Rumpf der Boeing 787 eingesetzt.

Im Sportbereich kommen Carbonfasern in einer Vielzahl von Produkten zum Einsatz:

Fahrräder (Rahmen, Kurbeln, Laufräder)
Angelruten
Tennisschläger
Ruderboote
Windsurfausrüstung

Auch in der Formel 1 spielen Carbonfasern eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Fahrzeugteilen.

Highlight: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Verbundwerkstoff, der Carbonfasern als Verstärkung in einer Kunststoffmatrix nutzt und in vielen Hightech-Anwendungen zum Einsatz kommt.

Weitere Anwendungsgebiete umfassen:

Bogenschießen (Pfeilschäfte)
Musikinstrumente (Bögen für Streichinstrumente)
Zahnmedizin (Schienung von Zähnen)
Militärische Anwendungen

Vocabulary: CFK steht für "Carbonfaserverstärkter Kunststoff" und wird im Englischen als CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) bezeichnet.

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Einsatz von Carbonfasern in der Luftfahrt

In der modernen Luftfahrt spielen Carbonfasern eine zunehmend wichtige Rolle. Moderne Flugzeuge bestehen zu einem erheblichen Teil aus Faserverbundwerkstoffen, wobei Carbonfasern eine zentrale Komponente darstellen.

Highlight: Einige moderne Flugzeuge bestehen zu bis zu 50 Prozent aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen.

Die Vorteile von Carbonfasern in der Luftfahrt sind vielfältig:

Geringeres Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Materialien
Höhere Festigkeit
Bessere Ermüdungseigenschaften
Höhere Korrosionsbeständigkeit

Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass Flugzeuge effizienter und langlebiger werden. Der Einsatz von Carbonfasern ermöglicht es, Treibstoff einzusparen und die Wartungsintervalle zu verlängern.

Example: Der Einsatz von Carbonfasern im Flugzeugbau zeigt sich besonders deutlich bei Modellen wie dem Airbus A350 oder der Boeing 787 Dreamliner, die zu einem großen Teil aus Verbundwerkstoffen bestehen.

Die Verwendung von Carbonfasern in der Luftfahrt ist ein Paradebeispiel für den Einsatz moderner Materialien zur Verbesserung von Leistung und Effizienz in Hightech-Anwendungen.

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Struktur von Carbonfasern

Die besondere Struktur verleiht Carbonfasern ihre außergewöhnlichen Eigenschaften. Die Kohlenstoffatome sind in einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet, ähnlich wie in Graphit. Diese Schichten sind in Faserrichtung ausgerichtet, was zu der charakteristischen Anisotropie führt.

Definition: Anisotropie bezeichnet die Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften in einem Material. Bei Carbonfasern führt dies zu besonders hoher Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung.

Die Ausrichtung der Kohlenstoffschichten erfolgt während des Herstellungsprozesses durch Verstreckung der Fasern. Dies ermöglicht die Anordnung der Kohlenstoffatome in Längsrichtung, was entscheidend für die mechanischen Eigenschaften ist.

Example: Die anisotrope Struktur von Carbonfasern kann man sich wie gestapelte Blätter Papier vorstellen, die in eine Richtung sehr fest, aber quer dazu leicht zu trennen sind.

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Allgemeines zu Carbonfasern

Carbonfasern sind hochfeste und leichte Fasern, die aus fast reinem Kohlenstoff bestehen. Sie haben einen Durchmesser von etwa 5-10 Mikrometern und zeichnen sich durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus. Es gibt zwei Haupttypen von Carbonfasern: isotrope und anisotrope. Die anisotropen Fasern weisen deutlich höhere Festigkeiten auf und sind technisch bedeutsamer.

Vocabulary: Isotrope Fasern haben in alle Richtungen gleiche Eigenschaften, während anisotrope Fasern richtungsabhängige Eigenschaften aufweisen.

Carbonfasern sind sehr widerstandsfähig gegenüber chemischen Einflüssen. Eine Herausforderung besteht darin, dass einzelne Fasern leicht brechen können. Um dies zu kompensieren, werden die Fasern zu dickeren Bündeln, sogenannten Rovings, zusammengefasst.

Highlight: Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und chemischer Beständigkeit macht Carbonfasern zu einem idealen Werkstoff für viele Hightech-Anwendungen.

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Herstellung von Carbonfasern

Die Herstellung von Carbonfasern erfolgt hauptsächlich durch zwei verschiedene Verfahren, die sich in ihren Ausgangsstoffen unterscheiden: Polyacrylnitril (PAN) oder Pech. Die Wahl des Ausgangsmaterials hängt von Kostenfaktoren und gewünschten Stabilitätsvorteilen ab.

Der Herstellungsprozess umfasst mehrere Schritte:

Vorbereitung des Precursors (Ausgangsstoff)
Stabilisierung
Karbonisierung/Graphitisierung
Oberflächenbehandlung

Vocabulary: Der Begriff "Precursor" bezeichnet den Ausgangsstoff, der in die chemische Reaktion zur Herstellung der Carbonfasern eingeht.

Die Pyrolyse, also die thermische Zersetzung unter Ausschluss von Sauerstoff, ist ein zentraler Schritt bei der Carbonfaser Herstellung. Dabei werden die Fasern auf Temperaturen zwischen 1200°C und 3000°C erhitzt, je nach gewünschten Eigenschaften des Endprodukts.

Highlight: Die Verstreckung während des Erhitzens ist entscheidend für die Anordnung der Kohlenstoffschichten in Längsrichtung der Fasern, was ihre hohe Zugfestigkeit bedingt.

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Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein wichtiger Verbundwerkstoff mit Carbonfasern als Verstärkung
Carbonfasern werden hauptsächlich aus Polyacrylnitril oder Pech durch Pyrolyse hergestellt
Anwendungsgebiete umfassen Luft- und Raumfahrt, Sportgeräte und Automobilbau
Die anisotrope Struktur verleiht Carbonfasern ihre hohe Festigkeit in Faserrichtung

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Verwendung und Vorkommen von Carbonfasern

Example: In der Luftfahrt werden Carbonfasern beispielsweise im Seitenleitwerk des Airbus A380 oder im Rumpf der Boeing 787 eingesetzt.

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Fahrräder (Rahmen, Kurbeln, Laufräder)
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Highlight: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Verbundwerkstoff, der Carbonfasern als Verstärkung in einer Kunststoffmatrix nutzt und in vielen Hightech-Anwendungen zum Einsatz kommt.

Weitere Anwendungsgebiete umfassen:

Bogenschießen (Pfeilschäfte)
Musikinstrumente (Bögen für Streichinstrumente)
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Vocabulary: CFK steht für "Carbonfaserverstärkter Kunststoff" und wird im Englischen als CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) bezeichnet.

Einsatz von Carbonfasern in der Luftfahrt

Highlight: Einige moderne Flugzeuge bestehen zu bis zu 50 Prozent aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen.

Die Vorteile von Carbonfasern in der Luftfahrt sind vielfältig:

Geringeres Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Materialien
Höhere Festigkeit
Bessere Ermüdungseigenschaften
Höhere Korrosionsbeständigkeit

Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass Flugzeuge effizienter und langlebiger werden. Der Einsatz von Carbonfasern ermöglicht es, Treibstoff einzusparen und die Wartungsintervalle zu verlängern.

Example: Der Einsatz von Carbonfasern im Flugzeugbau zeigt sich besonders deutlich bei Modellen wie dem Airbus A350 oder der Boeing 787 Dreamliner, die zu einem großen Teil aus Verbundwerkstoffen bestehen.

Die Verwendung von Carbonfasern in der Luftfahrt ist ein Paradebeispiel für den Einsatz moderner Materialien zur Verbesserung von Leistung und Effizienz in Hightech-Anwendungen.

Struktur von Carbonfasern

Definition: Anisotropie bezeichnet die Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften in einem Material. Bei Carbonfasern führt dies zu besonders hoher Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung.

Example: Die anisotrope Struktur von Carbonfasern kann man sich wie gestapelte Blätter Papier vorstellen, die in eine Richtung sehr fest, aber quer dazu leicht zu trennen sind.

Allgemeines zu Carbonfasern

Vocabulary: Isotrope Fasern haben in alle Richtungen gleiche Eigenschaften, während anisotrope Fasern richtungsabhängige Eigenschaften aufweisen.

Highlight: Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und chemischer Beständigkeit macht Carbonfasern zu einem idealen Werkstoff für viele Hightech-Anwendungen.

Herstellung von Carbonfasern

Der Herstellungsprozess umfasst mehrere Schritte:

Vorbereitung des Precursors (Ausgangsstoff)
Stabilisierung
Karbonisierung/Graphitisierung
Oberflächenbehandlung

Vocabulary: Der Begriff "Precursor" bezeichnet den Ausgangsstoff, der in die chemische Reaktion zur Herstellung der Carbonfasern eingeht.

Highlight: Die Verstreckung während des Erhitzens ist entscheidend für die Anordnung der Kohlenstoffschichten in Längsrichtung der Fasern, was ihre hohe Zugfestigkeit bedingt.