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Manche Kunststoffe sind qualitativ besonders hochwertig. Einige von ihnen können im Fahrzeugbau im großen Umfang sogar Metalle ersetzen.

Ganz besonders die Carbonfasern (Kohlenstofffasern) zeichnen sich durch hohe Temperatur- sowie Korrosionsbeständigkeit und hohe Zugfestigkeit aus.

Zur Herstellung verkohlt man unter Luftabschluss langfaserige Polymere wie Cellulose oder Polyacrylate. Die Fäden werden durch spezielle Öfen gezogen und dabei unter Luftabschluss quasi verkokt. Eine andere Herstellung beruht auf Erhitzen und Sublimieren von Kohlenstoff.

In beiden Fällen bildet sich eine fädige, fast monokristalline Graphitstruktur aus. Man nennt die Carbonfasern deswegen auch Graphitfasern.

Die nur etwa 5-8 Mikrometer dicken Fäden zeigen allerdings nur in der Längsrichtung hohe Stabilität, quer dazu aber nicht. Folglich sind Carbonfasern insgesamt eigentlich nur eine bröselige Angelegenheit. Allerdings kann man ihre Qualitäten äußerst stark fördern. Dazu muss man sie nur in andere Kunststoffe wie zum Beispiel in Epoxidharze einbetten. Die resultierenden Kunststoffe bekommen erst durch ihre Mischung die bekannten extrem mechanischen oder thermischen Eigenschaften.

Solche Mischmaterialien nennt man Verbundstoffe. Beispiele hierzu sind jedem bekannt: Auch unsere Knochen sind aus Verbundmaterial aufgebaut. Gleiches gilt für Holz oder Stahlbeton.

Es kommt dabei allerdings nicht nur darauf an, dass Stoffe gemischt werden, sondern auch darauf, wie man das macht. Das kann man schon sehen, wenn man Bauarbeitern zusieht, die die Drähte zum Betongießen kunstvoll verlegen.

Voraussetzung ist nämlich, dass die Fasern nach bestimmten Mustern zusammengelegt werden. Damit folgt man dem Beanspruchungsprofil des Stücks, das man herstellen will: Die Faserstrukturen werden bei der technischen Konstruktion von Werkstücken aus Verbundstoffen so angeordnet, dass die Kraftwirkungen optimal abgefedert werden.

Diese Carbonfaser-Kunststoffe (abgekürzt: CFK) setzt man im Fahrzeug- und Flugzeugbau ein, zum Beispiel zur Konstruktion von hochbelasteten Teilen wie beim Hubschrauberflügel.

Bild 1: Rettungshubschrauber
(Foto: Blume)

Ein anderes Beispiel ist das Seitenleitwerk des Airbus. Auch große Teile von Kampfflugzeugen bestehen aus CFK, wie der gesamte Flügelblock der F-16; deren Schabracke besteht aus nur einem einzigen CFK-Teil.

Bild 2: F-16 (Foto: Blume)

Viel CFK findet man auch in den Formel-I-Rennwagen. Deren Cockpit besteht aus einer speziell an den Körper des Fahrers angepassten CFK-Schale. CFK-Bänder verhindern, dass die Räder herumfliegen, wenn deren Aufhängung bei einem Crash mal brechen sollte.

Bild 3: Formel-I-Modell 1998
(Foto: Blume)

Bei der technischen Anwendung im Fahrzeug- und Flugzeugbau ist nicht nur die geringe Dichte des Materials wichtig, sondern unter anderem auch, dass CFK ausgesprochen schlecht entflammbar sind.

Weitere Anwendungen sind Tennis- oder Badmintonschläger, Nordic Walking-Stöcke, Segelboote und Segelflugzeuge, Fahrradrahmen und Stäbe zum Stabhochsprung.

Mit Matten aus CFK verstärkt man mittlerweile auch Straßenbeläge. Vor allem Lkw belasten schon aufgrund ihres Gewichts den Belag. Ganz besonders im Bereich von Ampelkreuzungen oder in Kurven ist die Kraftwirkung besonders groß.

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