Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK)

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, auch carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), verkürzt auch Kohlefaser, Carbon oder Karbon, ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Matrix dient zur Verbindung der Fasern sowie zum Füllen der Zwischenräume. Meist wird als Matrix der Werkstoff Epoxidharz gewählt. Es sind aber auch andere Duroplaste oder auch Thermoplaste als Matrixwerkstoff möglich.

## Spezifische Kennwerte

### Elastizitätsmodul

6000 - 176000 N/mm²

CFK kommt besonders dort zum Einsatz, wo für eine geringe Masse und gleichzeitig hohe Steifigkeit die erhöhten Kosten in Kauf genommen werden. Beispiele sind Fahrradrahmen, Angelruten, Ruderboote und Zubehör, Walking-Stöcke, Druckgasbehälter und Foils bei Tragflügelbooten. 2015 betrug die weltweite Produktion von CFK 91.000 Tonnen bei einem jährlichen Wachstum von ca. 12 %.

## Beschreibung

CFK besteht aus Kohlenstofffasern, die in eine Matrix aus Kunstharz eingebettet sind. Dabei profitieren die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Verbunds vor allem von der Zugfestigkeit und der Steifigkeit der Kohlenstofffasern. Die Matrix verhindert, dass sich die Fasern unter Belastung gegeneinander verschieben. Dazu muss die Matrix auf der Faser haften, ansonsten versagen die Bauteile durch *Faser-pull-out*. Da der Verbundwerkstoff vor allem von den Eigenschaften des Fasermaterials profitiert, wird meist ein möglichst hoher Faservolumenanteil angestrebt – möglichst viel Faser, möglichst wenig Matrix, keine Lufteinschlüsse oder Hohlräume, jedoch soll alle Faseroberfläche mit Matrix benetzt sein.

Die Festigkeit und die Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials sind in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist die Festigkeit geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden z. T. einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Die Faserrichtungen werden vom Konstrukteur festgelegt, um eine gewünschte Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen. Die gesamte Auslegung eines Bauteils wird meist mittels Berechnung nach der klassischen Laminattheorie unterstützt.

Kohlenstofffasern haben im Vergleich zu Werkstoffen wie Stahl eine deutlich geringere Dichte (~ Faktor 4,3). Ihre gewichtsspezifische Steifigkeit in Faserrichtung ist, je nach Fasertyp, etwas (ca. 10–15 %) oder sogar deutlich (ungefähr Faktor 2) höher als die von Stahl. Auf diese Weise entsteht ein sehr steifer Werkstoff, der sich besonders für Anwendungen mit einer Hauptbelastungsrichtung eignet, bei denen es auf eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit ankommt. Häufig müssen Faserverbund-Bauteile, um dieselben Kräfte wie ein entsprechendes Metall-Bauteil auszuhalten, voluminöser entworfen werden, was den Gewichtsvorteil reduziert.

## Anwendungen

Bauteile aus faserverstärkten Materialien sind teuer in der Herstellung verglichen mit Metallbauteilen gleicher Belastbarkeit. Daher kommen sie vor allem in Bereichen zum Einsatz, in denen ihre Vorteile (meist Gewichtseinsparung) ein mindestens entsprechend hohes Kosten-Einspar-Potential bewirken:

* Luft- und Raumfahrt;
* teilweise im Fahrzeugbau;
* gewichtsoptimierte Drohnenbauteile, meist mittels additiver Fertigung (3-D-Druck) hergestellt;
* im Bauwesen wird CFK als Bewehrung von Betonbauteilen verwendet oder in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt, um Bauwerke zu verstärken.

Als Filament für das 3D-Druckverfahren Fused Deposition Modeling wird kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (als Filament: Polyamid-CF) aufgrund seiner hohen Festigkeit und Reißlänge insbesondere für die Produktion von stabilen, aber leichten Werkzeugen und Teilen verwendet.

## Ökologie

Ein rohstoffliches Recycling von CFK ist möglich, wird derzeit aber erst in Pilotprojekten umgesetzt und ist noch nicht flächendeckend verfügbar. Zudem verschlechtern sich die Eigenschaften der Carbonfasern durch den Prozess. Ein stoffliches Recycling von CFK ist ebenfalls möglich. Das Rezyklat kann jedoch nur für Anwendungen mit minderen Anforderungen eingesetzt werden, da der CFK vor der Wiederverwertung zerkleinert werden muss und somit die Fasern zerschnitten werden.