Kohlenstoff-Fasern: mechanische Eigenschaften u.Nanostruktur

Unter allen zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen verwendeten Fasern sind Kohlenstofffasern diejenigen mit den besten mechanischen Eigenschaften, z.B. Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Temperaturbeständigkeit. Diese einzigartigen mechanischen Eigenschaften sind die Folge der hohen Anisotropie der Grahitkristallite, ihrer Größe und ihrer Orientierung. Diese Graphitkristallite, nur einige Nanometer groß, bilden die sogenannten "basic structural units". Sie bilden ein eindimensionale Struktur, die zu einer Festigkeit führt, die Stahl übertrifft, einem spezifischen Gewicht geringer als Aluminium, einem Elastizitätsmodul, der dem von Diamant nahekommt und einem Schmelzpunkt im Bereich von Wolfram. Das Potenzial dieser Kohlenstofffasern sind daher vorzugsweise diejenigen technischen Anwendungen, die geringes Gewicht und hohe Temperaturen zwingend erfordern. Es ist daher nur natürlich, daß Kohlenstofffasern die erste Wahl für verstärkende Fasern in Luft- und Raumfahrt sind, sie werden aber auch häufig z.B. für Sportgeräte verwendet. Im Unterschied zur herrschenden Meinung zeigen neue Resultate, daß diese Fasern eine deutliche Nicht-Linearität in der Spannungs-Dehnungskurve zeigen, d.h. der Elastizitätsmodul kann unter Last um mehr als 30 Prozent ansteigen. Zusätzlich wird ein deutliches Kriechen beobachtet, das in Vakuum schon bei relativ geringen Temperaturen von 1400 bis 1500 Grad C beginnt. Die strukturellen Ursachen sind zur Zeit noch völlig ungeklärt. Es ist daher das Ziel des vorliegenden Projekts, die mechanischen Eigenschaften genau zu bestimmen und den Einfluß verschiedener Herstellungsverfahren zu untersuchen (Fasern, die auf PAN-Basis, auf Pechbasis oder auf Basis von Rayon hergestellt wurden). Die Struktur, die zu diesen mechanischen Eigenschaften führt, wird mit Röntgenstrahlen (Weit- und Kleinwinkelstreuung) untersucht. In-situ Messungen, in denen unter Last und Temperatur gleichzeit die Struktur bzw. die Strukturänderung gemessen wird, werden für Faserbündel im Labor entwickelt. In-situ Messungen an Einzelfasern in einer Synchrotronanlage ergänzen diese Messungen. Diese erlauben eine Bestimmung der Nanostruktur mit einer Ortsauflösung kleiner als ein Mikrometer und einer Zeitauflösung im Bereich von Sekunden.

Unter allen zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen verwendeten Fasern sind Kohlenstofffasern diejenigen mit den besten mechanischen Eigenschaften, z.B. Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Temperaturbeständigkeit. Diese einzigartigen mechanischen Eigenschaften sind die Folge der hohen Anisotropie der Grahitkristallite, ihrer Größe und ihrer Orientierung. Diese Graphitkristallite, nur einige Nanometer groß, bilden die sogenannten "basic structural units". Ihre Anordnung mit eindimensionaler Vorzugsorientierung führt zu einer Festigkeit höher als Spezialstahl, einem spezifischen Gewicht geringer als Aluminium, einem Elastizitätsmodul, der dem von Diamant nahe kommt und einem Schmelzpunkt im Bereich von Wolfram. Das Potenzial dieser Kohlenstofffasern sind daher vorzugsweise diejenigen technischen Anwendungen, die geringes Gewicht und hohe Temperaturen zwingend erfordern. Es ist daher nur natürlich, daß Kohlenstofffasern die erste Wahl für verstärkende Fasern in Luft- und Raumfahrt sind, sie werden aber auch häufig z.B. für Sportgeräte verwendet. Der strukturelle Hintergrund der guten mechanischen Eigenschaften auf der Nanometerebene ist jedoch weitgehend unbekannt, besonders in Bezug auf die Interface-Eigenschaften, Nichtlinearität der Spannungs- Dehnungskurve sowie die Dynamik der strukturellen Änderung während hoher Last, hoher Temperatur und Langzeitbelastung. Das Projekt konnte eine Anzahl dieser Fragen lösen: Durch die Verwendung eines nur 100 Nanometer großen Röntgenstrahls eines Synchrotrons wurde in Biegebelastung Knicken der Kristallite auf der Nanometerebene beobachtet. Diese Arbeit wurde in Physical Review Letters publiziert. Die Untersuchung der Struktur und der strukturellen Änderungen von Kohlenstofffasern wurden mit dem Schunk Kohlenstofftechnik Preis ausgezeichnet. In weiteren Publikationen wurde die Struktur von Kohlenstofffasern mit Neutronen wie auch mit kombinierter Raman Spektroskopie und Röntgenstreuung untersucht, wobei die lineare Beziehung der Kristallitgröße, bestimmt aus diesen beiden Methoden, unterhalb ein Nanometer Kristallitgröße ihre Gültigkeit verliert. Das mechanische Verhalten von Kohlenstofffasern wie Nichtlinearität, Interface-Eigenschaften der Verbunderwekstoffe oder das Langzeitverhalten war Gegenstand weiterer Untersuchungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur von Kohlenstofffasern sich bei Hochtemperaturbelastung stark ändert, aber durch eine Hochtemperaturbehandlung ohne Last stabilisieren läßt. Das Projekt war sehr erfolgreich und legte die Grundlage für Untersuchungen der Strukturänderung von Kohlenstofffasern unter Last und Temperatur. Erste Resultate wurden bereits publiziert, doch weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet sind notwendig.