Was ist Carbon? – Hausarbeit + Präsentation

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Inhaltsangabe

1. Einführung

2. Was sind Kohlenstofffasern

3. Herstellung

4. Weiterverarbeitung zu CFK Bauteilen (Carbon Fiber Komponent)

5. Herstellung von CFK Bauteilen

5.1 Laminieren

5.2 Pressen

6. Eigenschaften von CFK

7. Beispiele für die Verwendung von CFK Bauteilen

7.1 Keramik-Carbon Bremsscheibe

7.2 Fahrradrahmen

8. Schlusswort zu Carbon

9. Persönliches Schlusswort

10. Quellenangabe

Einführung

Carbon, Kohlenstoffasern oder auch Carbonfasem sind industriell hergestellte Fasern, die aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial durch einen Verbrennungsprozess in fast reine Kohlenstofffasern umgewandelt werden.

Kohlenstofffasem wurden erstmals im 19. Jahrhundert durch Verbrennung von Kunstseide entdeckt, aber erst viel später kamen Kohlestofffasem in geringen Mengen und zu hohen Preisen (1.500 Euro pro Kilo), auf den Markt. Damals wurden Kohlestofffasem nur in der Luft- und Raumfahrt verwendet, für Privatpersonen waren sie nur sehr schwer erhältlich. Seit ungefähr 1970 wird Carbon in großen Mengen produziert und verkauft, die weltweite Abnahme von Carbon steigt kontinuierlich, was zu Folge hat, dass der Preis immer niedriger wird. Trotz des insgesamt gesunkenen Preises ist Carbon heute immer noch ein hochpreisiges Hightechprodukt und für viele kleine Firmen und Privatpersonen zu teuer.

In meiner GFS werde ich folgende Themen bearbeiten:

Was sind Kohlestofffasem?

Herstellung von Kohlenstofffasern

Weiterverarbeitung zu CFK (Carbon Fiber Komponent = Kohlenstoff verstärkter Kunststoff) Herstellung von CFK Bauteilen.

Eigenschaften

Verwendung/Beispiele

Was sind Kohlenstofffasern?

Man unterscheidet grob gesagt zwischen zwei Arten von „Carbon”: Zum Einen die reinen Kohlenstofffasem und zum Anderen Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK).

Die reinen Kohlenstofffasem werden zum CFK weiterverarbeitet, was also heißt, das zu den reinen Kohlenstofffasem ein neuer Stoff, in den meisten Fällen Epoxidharz dazugemischt wird. Die Grundlage für die Herstellung für Kohlenstofffasem ist eine Kunstseide. Die Herstellung von Kohlenstofffasem ist leider sehr kompliziert und gehört eigentlich eher in den Chemie-Unterricht als in den Technik-Unterricht, trotzdem probiere ich es möglichst unkompliziert und bündig zu erklären, da es für mein Thema wichtig ist. Ich erläutere hier auch nur die am häufigsten angewendete Herstellungs-Variante, die erstmals vom Chemiker Thomas Alva Edison im Jahr 1881 patentiert wurde. Damals entwickelte er eine Kohlefaserglühlampe mit Glühfäden aus pyrolysierten Bambusfasem. Der nächst größere Schritt gelang erst 1963 mit der Herstellung von Fasern mit gerichteten Strukturen in der Luftfahrt. Der Herstellungsprozess heute ist relativ energieaufwendig und teuer und dauert dabei auch noch mehrere Wochen. Die Prozess-Schritte sind dabei folgende:

-Stabilisierung des Ausgangmateriales

-Carbonisierung

-Hochtemperatur Behandlung der Faseroberfläche

-Aufbringen einer Beschichtung

-Aufspulen auf Hülsen

Herstellung

Kohlenstofffasem bestehen zu über 95 % aus reinem Kohlenstoff. Elementarer, reiner Kohlenstoff kommt in der Natur in Form von Graphit oder Diamant vor, ist unlöslich und unschmelzbar und scheidet daher als Grundstoff zur Kohlefaser Produktion aus. Der häufigste Grundstoff der dabei benutzt wird ist Polyaciylnitril, auch bekannt unter der Abkürzung PAN. Polyacrylnitril ist ein Art textile Faser, die bestimmte chemische Bedingungen für die Weiterverarbeitung von Carbon hat. Die PAN-Faser hat schon einen Kohlenstoff Gehalt von 68%, durch gezielte Temperaturbehandlung in mehreren Schritten werden aus den PAN-Fasem Kohlenstofffasem hergestellt mit einem Kohlenstoff Gehalt von über 95%. Der erste Schritt ist die Stabilisierung/Voroxidation der PAN-Faser. Die sogenannte Voroxidation findet beim „Heizen“ bei Temperaturen um die 50 Grad statt, dies führt dazu, dass die Faser mit Sauerstoff oxidiert. Bei dem zweiten Schritt, der sogenannten Carboniesierung, welche bei Temperaturen um 1250 Grad in einem bestimmten Gas stattfindet, werden alle Elemente außer Kohlenstoff weitgehend entfernt. Somit entsteht die eigentliche schwarze Kohlenstofffaser. Je höher die Carbonisierungstemperatur, desto höher der Kohlenstoffgehalt. Als letzter Schritt wird noch eine Hochtemperaturbehandlung in Inertgas (Reaktionsträger Gas) bei Temperaturen von 2500 Grad durchgeführt, wodurch die Elastizität der Faser in eine Richtung der Faserachse erhöht werden kann. Nach der Herstellung erhält das Carbon eine Oberflächenbehandlung im Sinne von einer Beschichtung, welche im Verlauf der weiteren Verarbeitung das Carbon vor Beschädigungen schützt.

Die Weiterverarbeitung zu textilen Halbzeugen wie z. B. Geweben, Geflechten oder Multiaxialgelegen erfolgt auf Webmaschinen oder Flechtmaschinen. Gängig sind hier die Typen mit 67tex (IK), 200tex (3K), 400tex (6K), 800tex (12K), 1600tex (24K) und 48K, 50K, in seltenen Fällen werden auch Game mit 80K verwendet. Die Angabe 200tex steht dabei für ein Gewicht von (200 g)/(1000 m) und 1K bedeutet, dass 1000 Einzelfasem zu einem Garn zusammengefasst sind. Das jetzt fertige so genannte „Roving“ wird zur einer Kohlenstofffasermatte gewebt/geflechtet. Danach wird es weiterverarbeitet zu Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, da man es nicht ohne einen weiteren Kunststoff in Form bringen kann.

Weiterverarbeitung zu CFK (Kohlenstoff verstärkter Kunstoff)

CFK Bauteile bestehen aus Kohlenstofffasem die in einer Mischung aus Kunstharz eingebettet sind. Ein Kunstharz ist ein synthetisch hergestelltes Produkt, es wird z.B. aus Öl hergestellt. Kunstharz härtet sich wie ein Kleber nach einer Weile aus und lässt sich dann nur noch mit bestimmten Lösungsmitteln entfernen. Bei Carbon hat es die Wirkung, dass es steif und unbeweglich wird. Das am häufigsten verwendete Harz, welches zur CFK Herstellung benutzt wird, heißt Epoxidharz, welches man als zähe Flüssigkeit verarbeiten und dann aushärten lassen kann. Das Ergebnis ist ein stabiler und Chemikalienbeständiger Kunststoff. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist deshalb auch die Verwendung als Klebstoff. Dieser wird flüssig aufgetragen und verbindet nach dem Aushärten andere Kunststoff teile, aber auch Metall und Beton. Epoxidharz härtet nur mit einem bestimmten chemischen Härter aus. Wird das Epoxidharz und der Härter gemischt, erhält man binnen weniger Minuten einen festen Kunststoff. Entweder wird eine Kohlenstofffasermatte sofort in Epoxidharz getunkt, welches bei Hitze dann fest/hart wird oder das Epoxidharz wird erst beim Pressen der Kohlenstofffasermatte hinzugeführt.

Herstellung von CFK Bauteilen

Man sieht ja oft an teuren Sportwagen Motorhauben, welche aus Carbon sind. Solch eine Motorhaube ist aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunstoff hergestellt. Ich werde hier die Fertigung beschreiben und erklären.

Es gibt zwei Herstellungsvarianten, einmal das Pressen (1) und das Laminieren (2).

Beide Varianten werden bei der Herstellung von verschiedenen Bauteilen genutzt. Man kann z.B. einen Rahmen welcher innen hohl ist, nicht pressen. Aber eine Motorhaube die ein in sich geschlossenes Gebilde ist und keine Hohlräume besitzt, kann man einfacher pressen wie laminieren. Da Carbon nicht flüssig ist kann man es nicht in eine Form einspritzen bzw. Gießen.

Über das Pressen (1):

Man hat also ein Kohlenstofffasergewebe, dieses wird in die passende Form zugeschnitten und in das Werkzeug hineingelegt. Das Wort Werkzeug bedeutet in dem Fall nicht z.B. ein Hammer etc., sondern die Form mit dem das Kohlenstofffasergewebe gepresst wird. Dem Kohlenstofffasergewebe wird das Epoxidharz unter Vakuum gleichmäßig zugeführt, was bewirkt, dass das Harz sich gleichmäßig vor dem Aushärten in die Rillen des Kohlenstofffasergewebe verteilt. Unter sehr großem Druck und unter Hitze wird dann das Bauteil gepresst. Zwischen sechs und acht Minuten dauert dieser Aushärteprozess. Je dicker das Bauteil ist, umso länger dauert dieser Voigang natürlich. Leider ist diese maschinelle Herstellung sehr teuer und hat noch keine große Bedeutung in der Industrie. Weltweit gibt es ungefähr nur zwanzig dieser hydraulischen Pressen, da es sich für viele Hersteller nicht lohnt, da sie nicht in großer Stückzahl Carbon Teile zu produzieren .Viele kleine Hersteller, welche Gebrauch von Carbon machen wollen, fertigen die Bauteile von Hand.

Über das Laminieren (2):

Das Laminieren ist eine ganz andere Art der Herstellung von CFK Bauteilen. Das Kohlenstofffasergewebe, dass schon in Expoxidharz eingelegt wurde, kommt jetzt zur Verwendung. Dieses Laminierverfahren wird hauptsächlich von der Fahrradindustrie genutzt, da ein Fahrradrahmen hohl ist. Zuerst einmal braucht man dazu einen fertige Kern, bzw. Form, welche man überlegen/laminieren will. In dem Beispiel des Fahrradrahmens will man einen Rahmen laminieren. Die Rahmenform ist natürlich nicht ein ganzer Rahmen sondern nur einzelne Teile, da man ja den Kern den man überlegt/laminiert, wieder aus dem überlegten Teil herausbekommen muss. Jetzt wird der Kem mit Kohlenstofffasergewebe von Hand überlegt, bis ein geschlossenes Kohlenstofffasergewebe entsteht. Nach diesem Schritt wird es in eint anpassungsfähige Vakuum „Tüte“ gelegt. Durch diesen Prozess wird das Kohlenstofffasergewebe fest an die Form gedrückt. Danach wird die Form vorsichtig entfernt. Jetzt werden die einzelne Rahmenbauteile mit einem Kleber zusammen geklebt. Dieser Kleber muss sehr hohen Temperaturen standhalten und Festigkeit ausweisen. Der fertig zusammengeklebte Rahmen wird jetzt in einer Form „gebacken“, also bei sehr hohen Temperaturen erhitzt, was dazu führt das sich die Kohlenstofffasemgewebe zusammenbacken (verschmelzen). Der jetzt fertige Carbonrahmen wird mit einer aufwendigen Lackierung versiegelt. All diese Arbeitsschritte werden noch von Hand ausgeführt, was das Endprodukt natürlich sehr kostspielig macht.

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Noahlr

17 Jahre, Geht auf das Gymnasium in Überlingen

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