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CFK

CFK ist ein leichtes und steifes Material

Von Stephan Wayan | 19. Januar 2021
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Der Einsatz von CFK-Material bietet eine außerordentliche Stabilität bei geringem Eigengewicht – ähnlich wie Stahl, aber mit nur einem Fünftel der Dichte. Erfahren Sie in unserem Artikel, wie die hohe Stabilität dank einer speziellen Matrix und einem hohen Faseranteil erzielt wird und welche Herstellungsverfahren von Hand bis zur Industrieanwendung zum Einsatz kommen.

CFK Material
AUF EINEN BLICK
Was ist das CFK-Material und welche Eigenschaften hat es?
Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), auch bekannt als Karbon, ist ein Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Kohlefasern. CFK zeichnet sich durch seine außerordentliche Stabilität, ähnlich wie Stahl, bei gleichzeitig geringer Dichte von etwa 1,5 g/cm³ aus. Die Festigkeit wird durch einen hohen Faseranteil und abwechselnde Lagen von längs und quer laminierten Fasern erreicht.

Dichte und Faseranteil

Herausragendste Eigenschaft von CFK ist die außerordentliche Stabilität, die der Stahl ähnelt, bei gleichzeitig geringem Eigengewicht. Ursache ist die geringe Dichte von CFK, die bei rund 1,5 Gramm pro Kubikzentimeter liegt. Stahl beginnt bei Dichten ab 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter.

Ein weiterer entscheidender Aspekt für die Festigkeit und Belastbarkeit von CFK ist der verhältnismäßig hohe Faseranteil der Bauteile und Werkstücke, der durchschnittlich bei sechzig Prozent liegt. Damit liegt er deutlich höher als der Faseranteil im Aufbau von Glasfaserkunststoff oder GFK.

Matrix und Faserrichtung

CFK oder Karbon wird bei der Verarbeitung mit Epoxidharz in einer stabilisierenden Struktur, einer speziellen Matrix, aufgebaut. Diese sich gegenseitig „haltende“ Verzahnung macht das Material vor allem gegen Einwirkung ziehender oder verwindender Kräfte widerstandsfähig.

Um die Stabilität in alle Kraft einwirkenden Richtungen zu erzielen, werden die strukturierten Fasermatten abwechselnd quer und längs im Epoxidharz laminiert. So kann die Höchststabilität der Matrix in Längsrichtung des Faserverlaufs im gesamten Werkstück oder Bauteil wirken.

Manuelle und industrielle Herstellung

Für Kleinserien und Einzelstücke entspricht die Herstellung dem von Glasfaserkunststoff und wird mit der Hand laminiert. In der industriellen Herstellung können die Eigenschaften von CFK zusätzlich beeinflusst werden.

Ein übliches Verfahren arbeitet mit Pressdruck und anschließendem „Backen“ bei Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius. In diesem Herstellungsverfahren werden die Kohlenstofffasern in die Matrixstruktur des tragenden Harzes, oft Phenolharz, eingepresst. Bei der anschließenden Pyrolysierung wird dem Material Stickstoff bei hoher Temperatur zugeführt.

Dieser Bearbeitungsgang erzeugt zuerst eine poröse Struktur, die bei jeder Wiederholung des Pyrolysierens dichter geschlossen wird. Die Matrix stärkt sich, ohne das eine Gewichtszunahme erfolgt. Im Endstadium ist keine Luft mehr im Material enthalten und CFK ist massiv.

Tipps & Tricks
Achten Sie bei der Auswahl des Harzes für das eigene Laminieren von CFK darauf, dass die matrixtragende Struktur des Harzes zu den Kohlenstofffasern passt und die stabilitätsentscheidende Haftung ermöglicht.

Artikelbild: robertomorelli/iStockphoto