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Besonderheiten beim Wärmeausdehnungskoeffizient von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK)

Wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe auch unter starken Temperaturschwankungen formstabil bleiben

Robust:
Welche thermischen Eigenschaften haben CFK/Carbon?

  • Die Temperaturbeständigkeit von CFK/Carbon ist hoch.
  • Ein hohes spezifisches Energieaufnahmevermögen für CFK ist charakteristisch.
  • Die Wärmeausdehnung von CFK ist sehr niedrig.
  • In ihrer Längsrichtung entlang der Fasern ist der thermische Längenausdehnungskoeffizient leicht negativ. Daher werden Kohlenstofffasern bei Erwärmung erst kürzer und dicker. In Verbindung mit den Eigenschaften von Kunststoff können so Bauteile entstehen, die in eine bestimmte Richtung ihre Länge gar nicht oder nur sehr geringfügig verändern.
PRK temperaturinvariante Bauteile Verkleidungen CFK

Anwendungen:
Wo kommen Bauteile aus CFK aufgrund ihrer Temperaturinvarianz zum Einsatz?

CFK ist besonders geeignet für Bauteile, die unter stark wechselhaften Temperaturbedingungen in ihrer Größe stabil bleiben müssen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik. Auch Bauteile für die industrielle Fertigung, die unter Temperaturschwankungen hochpräzise funktionieren müssen, werden so gefertigt. Selbst im Bauwesen haben GFK aufgrund ihrer Temperaturinvarianz ihre Berechtigung: Über die ganze Schwankungsbreite mitteleuropäischer Außentemperaturen hinweg können Bauteile entstehen, die ihre Dimensionierung exakt beibehalten.

CFK als Baumaterial für den Airbus A350 XWB

Tragflächen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen sind besonders leicht und damit treibstoffsparend. In Verbindung mit hohen mechanischen Eigenschaften macht dies CFK zu einem hervorragenden Fertigungsmaterial auch für die Luftfahrt.

Beim Airbus A350 XWB, der aufgrund seiner verhältnismäßig niedrigen Geräuschentwicklung und Treibstoffeffizienz als Vorzeigeflieger gilt, sind Rumpf, Tragwerk, Leitwerk, Flügelkasten und Druckschott aus CFK bereits im Einsatz. Neben den starken Kräften, die auf die Baugruppen eines Flugzeuges einwirken, müssen diese auch sehr resistent gegenüber Temperaturschwankungen sein. Mit seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient erfüllt kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff auch diese Anforderung.
Während sich herkömmliche Materialien bei großen Temperaturunterschieden verformen können, zeichnet sich CFK durch sehr hohe Temperaturinvarianz aus. Flugzeuge müssen oft in kürzester Zeit hohe Temperaturunterschiede aushalten: Auf dem Flugplatz in Kairo noch plus 40°C, zehn Minuten später in Reiseflughöhe dagegen unter minus 60°C. CFK kann hier vorteilhaft eingesetzt werden.

Temperaturinvariante CFK-Bauteile für die Trägerrakete Ariane 6

In kaum einem Bereich werden so hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien gestellt wie in der Raumfahrt. Von extremer Hitze bis zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt müssen sämtliche Bestandteile von Raketengehäusen absolut zuverlässig sein. Aufgrund der extrem niedrigen Wärmeausdehnung bietet sich kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff für die Anwendung in der Raumfahrt geradezu an.

So wurde das Boostergehäuse der Trägerrakete Ariane 6 nahezu vollständig aus CFK gefertigt. Die dort entstehenden enormen Temperaturen stellen für den Faserverbundwerkstoff kein Problem dar. In erfolgreichen Tests wurde bestätigt, dass das Raketenmotorgehäuse den Belastungen standhält und formtreu bleibt. Die Fertigung aus CFK hat dabei wesentlich zur Gewichts- und Kostenreduktion der gesamten Rakete beigetragen. Die europäische Rakete wird dadurch insgesamt wettbewerbsfähiger.

CFK für maximale Präzision in der Messtechnik

Wo exakt gemessen werden soll, dürfen Messgeräte die Ergebnisse nicht verfälschen. CFK ist für den Einsatz in der Messtechnik prädestiniert: Leichter und gleichzeitig steifer als Stahl, lassen sich aus Kohlenstofffaser Messgeräte herstellen, die besonders exakte Werte liefern.
Kombiniert man Kohlenstofffasern mit ihrem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Faserlängsrichtung im passenden Verhältnis mit einem Matrixsystem, das über einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügt, so erhält man Bauteile, die über einen weiten Temperaturbereich hinweg temperaturinvariant sind. Gerade in Umgebungen, in denen hohe Temperaturschwankungen auftreten, ist CFK als Fertigungsmaterial also bestens geeignet. Träger optischer Messeinrichtungen aus CFK, wie in der Lasermesstechnik, zeichnen sich durch Formstabilität und Temperaturinvarianz aus.


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Wissen:
Was ist der thermische Ausdehnungskoeffizient/ Wärmeausdehnungskoeffizient?

Diese Kennzahl beschreibt, wie ein Werkstoff seine ursprünglichen Abmessungen beibehält, wenn er Temperaturveränderungen ausgesetzt ist. Sie beschreibt den Effekt der Wärmeausdehnung von verschiedenen Materialien. Die Wärmeausdehnung kann jedoch bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich stark ausfallen. Deshalb kann man ihren Wert nur auf eine bestimmte Bandbreite von Temperaturen oder einen Bezugswert angeben.

Der Längenausdehnungskoeffizient und der Raumausdehnungskoeffizient

Der gesamte Koeffizient setzt sich zusammen aus dem thermischen Längenkoeffizienten und dem thermischen Raumausdehnungskoeffizienten.
  • Thermischer Längenausdehnungskoeffizient: Er wird auch linearer Wärmeausdehnungskoeffizient genannt und in Gleichungen als Alpha bezeichnet. Der Wert errechnet sich aus der relativen Längenänderung des Werkstoffes im Verhältnis zur relativen Temperaturveränderung. Mit dieser Formel werden die temperaturabhängigen Längen von Werkstoffen berechnet.
  • Thermischer Raumausdehnungskoeffizient: Man bezeichnet ihn auch als räumlichen Ausdehnungskoeffizienten, kubischen Ausdehnungskoeffizienten oder Volumenausdehnungskoeffizienten. Dieser Koeffizient beschreibt das Verhältnis der relativen Volumenzunahme im Vergleich zur relativen Temperaturveränderung. Voraussetzung ist dabei, dass der Umgebungsdruck und die Anzahl der Teilchen gleichbleiben.

Wie Längenausdehnungskoeffizient und Raumausdehnungskoeffizient zusammenhängen

Aufgrund der Dreidimensionalität von Festkörpern beträgt deren Raumausdehnungskoeffizient das Dreifache des Längenausdehnungskoeffizienten. Voraussetzung dafür ist, dass der Festkörper „isotrop“ ist, keine Dichteanomalien aufweist und die Temperaturänderungen relativ klein sind.

Was bedeutet Isotropie/Anisotropie/traversale Isotropie?

Der Begriff isotrop, aus dem Altgriechischen in etwa zu übersetzen als „gleiche Richtung“, sagt aus, dass eine Eigenschaft unabhängig von der Richtung des Werkstoffes gilt. Anisotropie bedeutet in der Folge, dass eine Eigenschaft abhängig von der Richtung ist. Als Beispiel für die beiden Begriffe seien die Strahlen der Sonne und die Strahlen eines Lasers genannt: Bei der Sonne ist es für die Wirkung egal, wie die Strahlen gerichtet sind, beim Laser jedoch nicht.
Bei Faserverbundwerkstoffen verwendet man zudem den Begriff der transversalen Isotropie. Er sagt aus, dass eine Laminat-Schicht in Richtung der Faser anisotrope Eigenschaften hat: Sie hat dort unter anderem eine höhere Zugfestigkeit und folgt anderen Elastizitätsgesetzen. Gleichzeitig ist sie in Gegenrichtung zur Faser isotrop.
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