Die Herstellung von Carbonfaser beginnt selten mit Kohlenstoff: Meist geht man von einem Garn aus Acrylpolymer aus, Polyacrylnitril (PAN), das zunächst an der Luft auf etwa 180 bis 300 °C und dann ohne Sauerstoff auf über 1.000 °C erhitzt wird. Das Garn verliert fast alles, was kein Kohlenstoff ist, und wird zu einem Kohlenstofffilament. Diese Filamente werden anschließend zu Rovings gebündelt, gewebt, mit Harz getränkt und in einer Form ausgehärtet. Hier jeder Schritt, einfach erklärt.
Das gekreuzte Muster auf einer Hülle aus gewebter Carbonfaser ist das sichtbare Ergebnis dieser ganzen Kette: Tausende Filamente, zu Rovings gebündelt, verflochten und dann in einem klaren Harz fixiert.
Kurz gesagt
- Die meisten Carbonfasern entstehen aus einem PAN-Garn, das an der Luft stabilisiert und dann unter Inertgas karbonisiert wird.
- Die Karbonisierungstemperatur bestimmt den Fasertyp: hochfest bei etwa 1.200–1.400 °C, hochmodulig bis 3.000 °C.
- Ein steifes Bauteil entsteht erst mit dem Harz: Gewebe oder Prepreg, Form, dann Aushärtung unter Vakuum oder im Autoklav.
Woraus wird Carbonfaser hergestellt?
Reiner Kohlenstoff lässt sich nicht spinnen: Er schmilzt bei Umgebungsdruck nicht und löst sich nicht. Um ein Kohlenstofffilament zu erhalten, stellt man daher zuerst ein Filament aus einem anderen Material her, dem sogenannten Precursor, und entfernt dann durch Hitze alles, was kein Kohlenstoff ist, ohne dass das Garn seine Form verliert.
In der Fachliteratur werden drei Precursoren beschrieben: Polyacrylnitril (PAN), Viskosefasern (Rayon) und Pech, ein Rückstand aus Erdöl oder Kohle. Dieses Dossier folgt dem PAN, dem für hochfeste und hochmodulige Fasern beschriebenen Weg, der eine gute Kohlenstoffausbeute bietet: Laut dem auf NPTEL veröffentlichten Kurs des Indian Institute of Technology liefern PAN-Precursoren eine Kohlenstoffausbeute von 50 bis 55 %. Mit anderen Worten: Etwa die Hälfte der Masse des Ausgangsgarns entweicht bei der Herstellung als Gas.
PAN ist ein Polymer, das dem von Acryltextilien ähnelt. Es wird zu Tausenden von Endlosfilamenten versponnen, die gestreckt werden, um seine langen Moleküle in Garnrichtung auszurichten. Diese Ausrichtung ist wichtig: Sie verleiht der Carbonfaser später ihre Steifigkeit in Längsrichtung.
Wie wird aus einem Acrylgarn Kohlenstoff?
Die Umwandlung läuft kontinuierlich ab: Die Rovings durchlaufen eine Reihe von Öfen mit steigenden Temperaturen. Man unterscheidet drei Schritte.
1. Die Stabilisierung (oder Oxidation)
Das PAN-Garn wird zunächst an der Luft auf etwa 180 bis 300 °C erhitzt. Die Moleküle ordnen sich neu und binden Sauerstoff: Das Garn wird schwarz und vor allem unschmelzbar. Ohne diesen Schritt würde es in den folgenden Öfen schmelzen oder verbrennen. Die Reaktion setzt Wärme frei, daher muss die Temperatur langsam steigen, um ein Durchgehen der Reaktion zu vermeiden.
2. Die Karbonisierung
Das stabilisierte Garn gelangt dann in Öfen, die mit Inertgas gefüllt sind, ohne Sauerstoff: Es kann also nicht verbrennen. Derselbe NPTEL-Kurs beschreibt zwei Zonen: bis 600 °C ein sehr sanftes Aufheizen (weniger als 5 °C pro Minute), dann von 600 bis 1.300 °C, wo schneller geheizt werden kann. Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff entweichen als Gase, und die verbleibenden Kohlenstoffatome ordnen sich zu graphitähnlichen Schichten an.
3. Die Graphitierung (für bestimmte Fasern)
Für noch steifere Fasern wird die Temperatur auf etwa 3.000 °C erhöht, unter Spannung und weiterhin unter Inertgas. Oberhalb von 2.000 °C wird kein Stickstoff mehr als Schutzgas verwendet, da er mit dem Kohlenstoff reagieren würde: Man setzt andere Inertgase ein.
Die Endtemperatur bestimmt den erhaltenen Fasertyp:
| Fasertyp | Behandlungstemperatur | Kohlenstoffgehalt |
|---|---|---|
| Hochfest | 1.200 bis 1.400 °C | 92 bis 96 % |
| Hochmodulig | 1.800 bis 2.500 °C | etwa 99 % |
| Ultrahochmodulig | 2.800 bis 3.000 °C | etwa 99 % |
Quelle: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors“. Je steifer die Faser („hochmodulig“), desto mehr Energie erfordert sie – das erklärt zum Teil den Kostenunterschied zwischen den Typen.
Warum wird die Faser oberflächenbehandelt und geschlichtet?
Direkt aus den Öfen ist Carbonfaser sehr glatt und chemisch wenig reaktiv. Nutzen bringt sie aber erst, wenn sie in ein Harz eingebunden ist. Zwei Arbeitsschritte bereiten diese Verbindung vor.
Die Oberflächenbehandlung. Der japanische Hersteller Toray erklärt in seinem Auswahlleitfaden für Carbonfasern, dass diese Behandlung „sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen hinzufügt und die Faseroberfläche leicht anlätzt“. So haftet das Harz besser am Filament.
Die Schlichte. Anschließend wird eine sehr dünne Schutzschicht aufgetragen, die Schlichte (englisch sizing), die so gewählt wird, dass sie mit dem später verwendeten Harz verträglich ist: Epoxid, Polyester, Vinylester … Die Schlichte schützt die Filamente auch beim Weben. Toray präzisiert, dass eine leichte Schlichte das Roving leichter spreizbar macht, während eine stärkere Schlichte die Faser bei anspruchsvoller Handhabung besser schützt.
Zum Schluss wird die Faser auf Spulen gewickelt. In diesem Stadium ist sie noch ein schwarzes, biegsames Garn: Die Steifigkeit kommt erst durch das Harz.
Was bedeuten 3K, 12K und „Köper“?
Von Filamenten zu Rovings
Ein Carbon-Roving (englisch „tow“) vereint Tausende paralleler Filamente. Die Zahl mit dem K gibt ihre Anzahl in Tausend an: Ein 3K-Roving zählt 3.000 Filamente, ein 12K-Roving 12.000. Der Toray-Leitfaden führt etwa seine Faser T300 mit 1.000, 3.000 und 6.000 Filamenten pro Roving und zählt Rovings mit 1.000 bis 6.000 Filamenten zu den „kleinen Rovings“; die in den USA produzierten Standard-Rovings haben 12.000, 24.000 oder 36.000 Filamente.
Kleine Rovings ergeben ein feines, gleichmäßiges Gewebe – das, was man an sichtbaren Teilen sieht. Große Rovings eignen sich eher für Industriebauteile, bei denen das Muster selten sichtbar ist.
Von Rovings zum Gewebe
Die Rovings werden dann wie ein Textil auf Webmaschinen verwebt. Das Dokument „Prepreg Technology“ von Hexcel, einem Hersteller von Verbundwerkstoffen für die Luftfahrt, beschreibt die wichtigsten Bindungsarten:
- Leinwand (plain): einmal darüber, einmal darunter, wie ein Schachbrett. Ein stabiles Gewebe, das sich aber schlecht an gekrümmte Formen anpasst.
- Köper (twill, als 2/1, 3/1 oder 2/2): Jedes Roving läuft über zwei oder drei andere, wodurch die für Carbon typischen diagonalen Linien entstehen. Ein mittlerer Kompromiss zwischen Stabilität und Anpassungsfähigkeit an Rundungen.
- Atlas (Satin): sehr wenige Verkreuzungen, ein geschmeidiges Gewebe, das sich gut an komplexe Formen anpasst.
Es gibt auch unidirektionale Gelege, bei denen alle Fasern in dieselbe Richtung verlaufen; sie werden eingesetzt, wenn ein Bauteil vor allem in eine Richtung belastet wird. Das „klassische“ Carbonmuster, das je nach Licht sein Aussehen verändert, ist meist eine Köperbindung. Das ist übrigens eines der Merkmale, die in unserem Ratgeber beschrieben werden, um echte Carbonfaser von einer Imitation zu unterscheiden.
Wie wird aus dem Gewebe ein steifes Bauteil?
Ein Carbongewebe allein ist biegsam. Für ein Bauteil kombiniert man es mit einem Harz (meist Epoxid), das nach dem Aushärten die Fasern an ihrem Platz hält und die Kräfte auf sie überträgt. Diese Verbindung aus Faser und Harz nennt man Verbundwerkstoff.
Das Prepreg
In der Industrie wird das Gewebe häufig bereits mit einer genau dosierten Harzmenge getränkt geliefert: Das ist das Prepreg. Hexcel gibt an, dass es im Gefrierschrank bei −18 °C gelagert wird, in der Regel 12 Monate lang, und dass eine Rolle bis zu 48 Stunden brauchen kann, um vor dem Öffnen Raumtemperatur zu erreichen. Laut demselben Dokument erreichen Carbon-Prepreg-Verbunde etwa 60 % Faservolumenanteil.
Laminieren, Vakuumsack und Aushärtung
Die Prepreg-Lagen werden zugeschnitten und in einer Form übereinandergelegt, manchmal mit wechselnder Faserorientierung: Das ist das Laminieren. Das Ganze wird mit technischen Folien und einem Vakuumsack abgedeckt, dann wird die Luft abgesaugt. Das Vakuum presst die Lagen mit höchstens 1 bar aneinander, und das Bauteil wird im Ofen ausgehärtet. Für die anspruchsvollsten Bauteile ersetzt man den Ofen durch einen Autoklav, einen Behälter, der zusätzlich Druck aufbringt: Das Diagramm von Hexcel zeigt Drücke von 1 bis 10 bar.
Epoxidharze für Prepregs härten typischerweise bei 120 °C oder 180 °C aus. Hexcel ordnet dem ersten eine Einsatztemperatur von etwa 100 °C zu, dem zweiten 130 bis 155 °C. Nach dem Abkühlen und Entformen wird das Bauteil beschnitten, bei Bedarf geschliffen und gegebenenfalls lackiert.
Der Tipp von Fibernium: Bei einem Accessoire zählt für Sie nicht der Name des Verfahrens, sondern das sichtbare Ergebnis. Ein echtes Carbongewebe zeigt Tiefe und Reflexe, die sich bewegen, wenn Sie das Objekt neigen; ein aufgedrucktes Muster bleibt flach. Betrachten Sie das Stück bei Streiflicht, bevor Sie sich entscheiden.
Wird geschmiedetes Carbon genauso hergestellt?
Die Faser selbst ist dieselbe: Sie kommt aus denselben Öfen. Was sich ändert, ist die Formgebung. Statt eines Gewebes mit sauber ausgerichteten Rovings verwendet geschmiedetes Carbon kurze Fasern oder Fragmente in ungeordneter Lage, die mit Harz vermischt und in einer Form gepresst werden. Das Marmormuster entsteht aus dieser zufälligen Anordnung, sodass keine zwei Stücke identisch sind. Die Unterschiede in Optik und Verwendung erläutern wir in unserem Artikel geschmiedetes Carbon oder gewebte Carbonfaser.
Die Geschichte des Carbons, von der Rennstrecke bis zu Alltagsgegenständen, lesen Sie in Von der Rennstrecke in Ihre Tasche.
Dieses Dossier beschreibt das allgemeine Verfahren der Industrie. Auf unseren Produktseiten beschreiben wir das Material jedes Produkts: FIBRE ist eine echte Platte aus gewebter Carbonfaser, FORGE und BRUTE bestehen aus echtem geschmiedetem Carbon, MAILLE kombiniert Carbon und Aramid. Die Ausführungen GIVRE und HYBRIDE aus der Reihe „Style Carbon“ bestehen aus Glasfaser, nicht aus Carbon. Hier finden Sie diese Materialien:
- Hüllen aus gewebter Carbonfaser
- Hüllen aus geschmiedetem Carbon
- Hüllen aus farbigem Carbon
- Geldklammern aus Carbon
Häufige Fragen
Ist Carbonfaser reiner Kohlenstoff?
Fast. Laut dem NPTEL-Kurs enthalten hochfeste Fasern 92 bis 96 % Kohlenstoff und hochmodulige Fasern etwa 99 %. Ein fertiges Bauteil ist dagegen ein Verbundwerkstoff: Es enthält auch Harz.
Warum ist die Herstellung von Carbonfaser teuer?
Das Verfahren reiht mehrere Hochtemperaturöfen unter Inertgas aneinander, mit einer langsamen Stabilisierung. Etwa die Hälfte der Masse des PAN-Precursors geht unterwegs verloren. Danach muss noch gewebt, getränkt, geformt und ausgehärtet werden.
Was bedeutet 3K auf einem Carbongewebe?
Dass jedes Roving des Gewebes 3.000 Filamente vereint. Ein 12K-Roving enthält 12.000. Die Zahl sagt etwas über die Feinheit des Gewebes aus, nicht über die Qualität der Faser.
Was ist ein Autoklav?
Ein beheizter Druckbehälter, in dem vakuumverpackte Verbundbauteile ausgehärtet werden. Der zusätzliche Druck presst die Lagen besser zusammen und verringert Blasen – vor allem nützlich bei dicken Bauteilen oder solchen mit hohem Faseranteil.
Ist das das Verfahren der Fibernium-Hüllen?
Dieses Dossier beschreibt die allgemeine Herstellung von Carbonfaser und Verbundwerkstoffen. Die Produktseiten geben das Material jeder Hülle an; sie beschreiben nicht das industrielle Verfahren, deshalb treffen wir hier keine Aussage dazu.