Kohlefaser vs. Aluminium

Kohlenstofffasern ersetzen Aluminium in immer mehr Anwendungen und das bereits seit einigen Jahrzehnten. Diese Fasern sind für ihre außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit bekannt und zudem extrem leicht. Carbonfaserstränge werden mit verschiedenen Harzen zu Verbundwerkstoffen kombiniert. Diese Verbundwerkstoffe nutzen die Eigenschaften von Fasern und Harzen. Dieser Artikel bietet einen Vergleich der Eigenschaften von Kohlefaser und Aluminium sowie einige Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien.

Kohlefaser vs. Aluminium gemessen

Nachfolgend finden Sie die Definitionen der unterschiedlichen Eigenschaften, die zum Vergleich der beiden Materialien verwendet werden:

Elastizitätsmodul = Die „Steifigkeit“ eines Materials. Das Verhältnis von Spannung zu Dehnung für ein Material. Die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve für ein Material in seinem elastischen Bereich.

Höchste Zugfestigkeit = die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es bricht.

Dichte = die Masse des Materials pro Volumeneinheit.

Spezifische Steifigkeit = Elastizitätsmodul geteilt durch die Dichte des Materials. Wird zum Vergleich von Materialien mit unterschiedlicher Dichte verwendet.

Spezifische Zugfestigkeit = Zugfestigkeit geteilt durch die Dichte des Materials.

Vor diesem Hintergrund vergleicht die folgende Tabelle Kohlefaser und Aluminium.

Hinweis: Viele Faktoren können diese Zahlen beeinflussen. Das sind Verallgemeinerungen; keine absoluten Messungen. Beispielsweise sind verschiedene Kohlefasermaterialien mit höherer Steifigkeit oder Festigkeit erhältlich, oft mit dem Nachteil, dass andere Eigenschaften reduziert werden.

Dieses Diagramm zeigt, dass Kohlenstofffasern eine spezifische Zugfestigkeit haben, die etwa 3,8-mal so hoch ist wie die von Aluminium, und eine spezifische Steifigkeit, die 1,71-mal so hoch ist wie die von Aluminium.

Vergleich der thermischen Eigenschaften von Kohlefaser und Aluminium

Zwei weitere Eigenschaften, die die Unterschiede zwischen Kohlefaser und Aluminium verdeutlichen, sind Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit.

Die Wärmeausdehnung beschreibt, wie sich die Abmessungen eines Materials ändern, wenn sich die Temperatur ändert.

Aluminium hat eine etwa sechsmal höhere Wärmeausdehnung als Kohlefaser.

Für und Wider

Bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Systeme müssen Ingenieure bestimmen, welche Materialeigenschaften für bestimmte Anwendungen am wichtigsten sind. Wenn es auf ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis oder ein hohes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis ankommt, ist Kohlefaser die offensichtliche Wahl. Was die strukturelle Gestaltung anbelangt: Wenn zusätzliches Gewicht die Lebenszyklen verkürzen oder zu schlechter Leistung führen könnte, sollten Designer auf Kohlefaser als besseres Baumaterial setzen. Wenn es auf Zähigkeit ankommt, lässt sich Kohlefaser problemlos mit anderen Materialien kombinieren, um die erforderlichen Eigenschaften zu erzielen.

Die geringen Wärmeausdehnungseigenschaften von Kohlenstofffasern sind ein wesentlicher Vorteil bei der Herstellung von Produkten, die ein hohes Maß an Präzision und Dimensionsstabilität unter Bedingungen mit schwankenden Temperaturen erfordern: optische Geräte, 3D-Scanner, Teleskope usw.

Die Verwendung von Kohlefaser hat auch einige Nachteile. Kohlefaser gibt nicht nach. Unter Belastung verbiegt sich die Kohlefaser, passt sich jedoch nicht dauerhaft der neuen Form (elastisch) an. Sobald die maximale Zugfestigkeit des Kohlefasermaterials überschritten wird, versagt die Kohlefaser plötzlich. Ingenieure müssen dieses Verhalten verstehen und Sicherheitsfaktoren einbeziehen, um es bei der Entwicklung von Produkten zu berücksichtigen. Kohlefaserteile sind auch deutlich teurer als Aluminiumteile, da die Herstellung von Kohlefasern hoch ist und bei der Herstellung hochwertiger Verbundteile viel Fachwissen und Erfahrung erforderlich sind.