Die Carbonfaser (auch Kohlenstofffaser oder Kohlefaser genannt) ist eine extrem dünne, schwarze Faser, die fast nur aus Kohlenstoff besteht. Ein einzelnes Filament ist mit rund 5 bis 9 Mikrometern dünner als ein menschliches Haar. Viele dieser Filamente werden zu Strängen gebündelt (Roving) und daraus Gewebe, Gelege oder fertige Bauteile gemacht. Wird die Faser mit Harz getränkt und ausgehärtet, entsteht der Verbundwerkstoff CFK – kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.

Hergestellt wird die Faser meist aus einem Kunststoff-Ausgangsfaden, dem sogenannten PAN-Precursor (Polyacrylnitril). Dieser wird in mehreren Hitzeschritten umgewandelt: erst bei rund 200 bis 300 Grad an Luft stabilisiert, dann unter Schutzgas bei etwa 800 bis 1500 Grad verkohlt (Carbonisierung). Bei besonders steifen Hochmodulfasern folgt eine Hochtemperaturbehandlung bis über 2000 Grad. Übrig bleibt ein graphitartiges Kohlenstoffgerüst, das der Faser ihre Steifigkeit gibt. Alle Temperaturen sind Richtwerte und hängen vom Verfahren und Fasertyp ab.

Der entscheidende Vorteil ist das Verhältnis von Gewicht zu Leistung. Die Rohdichte liegt je nach Typ bei etwa 1,75 bis 1,85 g/cm³ – deutlich weniger als Glasfaser (rund 2,5 g/cm³). Trotzdem ist Carbon viel steifer und meist auch fester. Genau das macht es zum Werkstoff für Leichtbau, wo jedes Gramm zählt. Der Preis ist allerdings ein Vielfaches der Glasfaser, weshalb Carbon gezielt dort eingesetzt wird, wo Steifigkeit und geringes Gewicht den Mehrpreis rechtfertigen.

Carbon gibt es in mehreren Leistungsklassen. Vereinfacht: HT-Fasern (High Tenacity, Standard) mit E-Modul um 230 bis 240 GPa und hoher Festigkeit, IM-Fasern (Intermediate Modulus, rund 280 bis 300 GPa) sowie HM/UHM-Fasern (High bzw. Ultra High Modulus, etwa 350 bis über 600 GPa), die extrem steif, dafür spröder sind. Alle Zahlen sind Richtwerte und hängen vom konkreten Produkt und Datenblatt ab. Wichtig: Carbon dehnt sich kaum (Bruchdehnung nur rund 0,5 bis 2 Prozent, je nach Typ), reißt also eher plötzlich als sich vorher sichtbar zu verformen.

Im Detail

  • Steif, aber sprödeCarbon bricht bei Überlast eher schlagartig statt sich anzukündigen, und es ist empfindlich gegen Schlag und scharfe Knicke. Fasern dürfen nicht geknickt oder mit scharfkantigen Werkzeugen beschädigt werden, sonst entstehen Faserbrüche. Wo Zähigkeit und Schlagschutz gefragt sind, kombiniert man Carbon oft mit Aramidfaser.
  • Elektrisch leitfähigAnders als Glas leitet Carbon Strom und Wärme. Das erfordert Vorsicht bei Elektronik in der Nähe und kann Kontaktkorrosion (galvanische Korrosion) auslösen, wenn Carbon direkt an Aluminium oder Stahl anliegt; dann braucht es eine trennende Schicht. Auch beim Schleifen ist der leitfähige, feine Staub zu beachten.
  • Faserformen im FormenbauCarbon kommt als Roving (endloser Strang), Gewebe (z. B. typische Köperbindung fürs Sichtcarbon-Schachbrettmuster), als Gelege bzw. UD-Gelege für gerichtete Lasten oder als vorimprägniertes Prepreg. Die Fadenstärke wird in k angegeben (z. B. 1k, 3k, 6k = Tausend Filamente pro Faden).

Mehr dazu: Verstärkungsfasern im Vergleich: Glas, Carbon, Aramid, Basalt und Naturfaser