Professor Plastics hat zwei Worte für Sie: Kohlefaser.
Bei der Planung und dem Bau unserer neuen Autos setzen die Autohersteller zunehmend auf Kohlefaser – dasselbe Material, das auch in den Hightech-Flugzeugen 787 Dreamliner von Boeing verwendet wird. Sie soll bis zu 10-mal stärker als Stahl und viermal leichter sein.
Neben Autos und der Luft- und Raumfahrt werden Kohlefasern auch in Sportartikeln, Windkraftanlagen, militärischen Anwendungen und vielem mehr eingesetzt. Und es wird erwartet, dass sich ihr Einsatz bis 2020 verdoppelt oder sogar verdreifacht.
So … was genau ist Kohlenstofffaser? Und warum interessiert sich Professor Plastics dafür? Ich meine, es ist doch kein Kunststoff, oder?
Es stimmt, dass Kohlenstofffasern selbst kein Kunststoff sind. Es ist eine Faser (oder ein Faden) mit unglaublich kleinem Durchmesser, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen besteht. Und ich meine wirklich klein – in der Regel zwischen 5 und 10 Mikrometer im Durchmesser (ein Mikrometer ist ein Millionstel Meter oder etwa 0,000039 Zoll). Diese Fasern werden in der Regel zu einem Faden (oder Werg) gebündelt, der oft zu einem Stoff gewebt wird.
Vielleicht erinnern Sie sich aus dem Chemieunterricht, dass Diamanten – eine der härtesten natürlichen Substanzen – aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem bestimmten Gitter angeordnet sind. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Kohlenstofffasern steif, stark und leicht sind, außerdem resistent gegen Chemikalien und tolerant gegenüber hohen Temperaturen. Klingt ideal für die Herstellung von Gegenständen.
Nun, für sich allein genommen sind Kohlenstofffasern oft nicht ideal. In der Regel wird sie mit anderen Materialien kombiniert, um die Eigenschaften zu erhalten, die für ein Rennwagenchassis, einen Flugzeugrumpf, eine Prothese, einen Tennisschläger, eine Angelrute oder einen Fahrradrahmen benötigt werden.
Typischerweise kombiniert mit welchen anderen Materialien, fragen Sie? Kunststoffe.
Der Begriff „Kohlefaser“ bezieht sich im allgemeinen Sprachgebrauch (z. B. in Nachrichten) meist auf „kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe“, d. h. auf einen Verbundwerkstoff, der aus Kohlefasern PLUS einer Art Kunststoff besteht. Oder einer Kombination von Kunststoffen. Und vielleicht auch aus anderen Materialien. Da „kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe“ ein langatmiger Begriff ist, kürzen viele Leute ihn einfach auf: „Kohlefaser“ oder „Kohlefaserverbundwerkstoff“. Und die „Kunststoffe“ werden vergessen. (Wie traurig.)
Die Kombination von Kohlenstofffasern mit Kunststoffen ist in etwa so, als würde man Beton mit Bewehrungsstäben versehen, wodurch „Stahlbeton“ entsteht. Die Kombination von Kohlenstofffasern und Kunststoffen ergibt Materialien mit Supermann-Qualitäten, einschließlich höherer Festigkeit und Haltbarkeit.
Die Kombination von Kohlenstofffasern und Kunststoffen ergibt Materialien mit Supermann-Qualitäten, einschließlich höherer Festigkeit und Haltbarkeit.
Wie bereits erwähnt, wird die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen in unseren neuen Autos wahrscheinlich rasch zunehmen. (OK, nennen wir sie einfach CFK.) Bislang wurden CFK-Autokomponenten – Fahrgestelle, Spoiler, Dächer, Motorhauben und viele Innen- und Außenteile – aufgrund der hohen Herstellungskosten hauptsächlich, aber nicht ausschließlich, in höherwertigen Luxus- oder Hochleistungsfahrzeugen eingesetzt. Heute investieren viele Automobilhersteller (z. B. Ford, Mercedes, General Motors, BMW) stark in CFK-Anwendungen, da die Kosten sinken und neue Technologien eine schnellere Herstellung dieser Komponenten ermöglichen.
Warum sollten wir Fahrer (oder Passagiere) uns dafür interessieren? Weil ein verstärkter Einsatz von CFK das Fahrzeuggewicht reduzieren, den Kraftstoffverbrauch senken und zur Sicherheit beitragen kann.
- Gewicht/Kraftstoffverbrauch: Wie bereits erwähnt, ist CFK viel fester als Stahl und dennoch leichter, so dass Fahrzeugkomponenten leichter gemacht werden können. Das ist einer der Gründe, warum Ford eine Partnerschaft mit der Dow Chemical Company eingegangen ist, um die Verwendung von CFK zu erweitern, mit dem Ziel, das Fahrzeuggewicht bis 2020 um 750 Pfund zu reduzieren. Schon eine 10-prozentige Verringerung des Fahrzeuggewichts kann die Kraftstoffeffizienz über die Lebensdauer heutiger Autos um 6 bis 8 Prozent steigern. Das ist eine Menge Benzin.
- Sicherheit: CFK-Autokomponenten können eine höhere Energieabsorptionsrate als Stahl aufweisen, was zu einer verbesserten Sicherheit bei einem Zusammenstoß beitragen kann. So werden beispielsweise Rennwagen heute größtenteils aus CFK hergestellt, was zu einer Gewichtsreduzierung, verbesserter Leistung und erhöhter Sicherheit geführt hat. Wie andere Sicherheitsvorteile, die für die Rennstrecke entwickelt wurden, werden CFK-Bauteile nun auch im Familienauto eingesetzt.
Das Wachstum bei CFK-Autokomponenten wird die bereits umfangreiche und wachsende Verwendung von Kunststoffen in unseren Autos erweitern. Heutige Neuwagen bestehen bereits zu etwa 10 Prozent aus Kunststoffen (nach Gewicht), aber zu 50 Prozent aus Kunststoffen (nach Volumen).
Die Kombination von Kohlefaser und Kunststoffen wird dieses Verhältnis noch weiter erhöhen und gleichzeitig zur Kraftstoffeffizienz und unserer Sicherheit beitragen.
Kohlefaser. Das klingt nach einem idealen Material. Vergessen Sie nur nicht die Kunststoffe …