Die wertvollsten Eigenschaften von Kohlefaser sind ihre Festigkeit, Steifigkeit und ihr geringes Gewicht. Kohlefaser besteht aus sehr feinen, kristallinen Kohlenstofffäden in „Segeln“, die Tausende einzelner Fäden enthalten. Diese garnartigen Stränge werden zu Stoffen in verschiedenen Webarten verwoben. Wenn Schichten aus Kohlefasergewebe zu einer Kohlefaserplatte oder einem Kohlefaserblatt zusammengefügt werden, ist das Kohlefaserlaminat außerordentlich stark. Wie stark ist es also?
Die Stärke der Kohlefaser
Kohlefaser ist doppelt so steif und fünfmal stärker als Stahl. Kohlefaser ist zwar stärker und steifer als Edelstahl, aber auch leichter, was sie zu einem idealen Herstellungsmaterial macht.
Klassifizierung der Steifigkeit und Festigkeit von Kohlefasern
Der Zugmodul ist definiert als „das Verhältnis der Spannung (Kraft pro Flächeneinheit) entlang einer Achse zur Dehnung (Verhältnis der Verformung zur Anfangslänge) entlang dieser Achse.“ Der Zugmodul, auch Steifigkeit genannt, kann die Dehnung oder Kompression von Material vorhersagen, solange die Spannung geringer ist als die Zugfestigkeit des Materials.
Kohlenstofffasern werden anhand des Zugmoduls der Fasern klassifiziert. Die englische Maßeinheit ist Pfund Kraft pro Quadratzoll Querschnittsfläche, abgekürzt als psi (oder ksi für tausend psi und MSI für Millionen psi). Es gibt fünf Kohlenstofffaserklassifizierungen: niedriger Modul, Standardmodul, mittlerer Modul, hoher Modul und ultrahoher Modul.
| Kohlefaserklasse | Niedriger Modul | Standardmodul | Zwischenmodul | Hoher Modul | Ultrahoher Modul |
| Zugmodul GPa | <227 | 227 | 289 | 393 | 758 |
| Zugmodul MSI | <33 | 33 | 42 | 57 | 110 |
Die Steifigkeit und Festigkeit einer laminierten Kohlefaser-Epoxidplatte oder -platte wird bestimmt durch:
Die Eigenschaften des Kohlefasermaterials
Der Ablegeplan der Fasern (Faserausrichtung, Webart und Dicke der Laminatlagen)
Das Faser/Harz-Verhältnis
Eine gute Schätzung des Zugmoduls für einen ausgewogenen, symmetrischen 0/90°-Layup-Plan wäre 10 MSi (70 GPA). Eine gute Schätzung der Zugfestigkeit für den gleichen Aufbau wäre 87 KSI (600 MPA).
Im Vergleich dazu hat Stahl einen Zugmodul von etwa 29 MSI (200 GPa) und eine Zugfestigkeit von 61 KSI (420 MPA). Der Zugmodul von Aluminium beträgt etwa 10 MSI (69 GPa) und die Zugfestigkeit beträgt 40 KSI (276 MPA).
Wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht, weist Kohlefaserlaminat die höchste spezifische Zugfestigkeit und die höchste spezifische Steifigkeit auf
| Material | Zugmodul GPa | Zugfestigkeit MPa | Dichte g/cm3 | Spezifische Zugfestigkeit Pa m3/kg |
Spezifischer Zugmodul MPa m3/kg |
| Aluminium | 69 | 276 | 2.7 | 102 | 25.5 |
| Stahl | 200 | 420 | 7.9 | 53 | 25.3 |
| Kohlefaserlaminat | 70 | 600 | 1.5 | 400 | 46.7 |
Kohlenstofffasern mit ultrahohem Modul sind etwa dreimal steifer als Standard-Modul-Fasern, aber nicht so stark. Darüber hinaus weist Kohlefaser im Vergleich zu Stahl und Aluminium überlegene Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften auf. Darüber hinaus gehören Carbonfasern in Kombination mit geeigneten Harzen zu den korrosionsbeständigsten Materialien auf dem Markt.
