Kohlefaser-Rohstofftypen und Festigkeitsklassen

Kohlefaser für die strukturelle Verstärkung wird nach gemessener mechanischer Leistung — Festigkeit, Modul und Dehnung — eingestuft, nicht nach einer Rohstoff-Tow-Bezeichnung, und die Kennzahl, die eine Bemessung bestimmt, ist ohnehin selten die Spitzenfestigkeit der Faser. Dieser Leitfaden erklärt, woraus Kohlefaser besteht, wie sie tatsächlich klassifiziert wird und wie die Klassenwahl eine Verstärkungsbemessung beeinflusst, gestützt auf FidStrong-Datenblätter und Bemessungsnormen. Um diese Zahlen in eine Spezifikation zu übertragen, siehe wie man ein technisches CFRP-Datenblatt liest.

Woraus besteht Kohlefaser?

Fast jede strukturelle Kohlefaser — und jedes FidStrong-Kohlefaserprodukt — basiert auf PAN: Ein Polyacrylnitril-Precursor wird zu Filamenten verstreckt, oxidiert (stabilisiert) und anschließend bei hoher Temperatur karbonisiert, wodurch eine nahezu reine Kohlenstofffaser mit stark axial ausgerichteten graphitischen Mikrokristalliten entsteht. Ein zweiter Weg, Pech-basierte Precursoren, existiert in der breiteren Industrie für Faser mit extrem hohem Modul, ist jedoch außerhalb der Verstärkungsanwendung eine Nische. Die allgemeine Materialbandbreite für Kohlefaser ist groß — Modul etwa 200–800 GPa und Festigkeit 2,500–6,000 MPa — aber die strukturelle Verstärkung nutzt nur das Ende mit niedrigerem Modul und höherer Festigkeit.

Wie wird Kohlefaser klassifiziert — und warum nicht nach einer “T-Nummer”?

Nach geprüfter Leistung. Eine glaubwürdige Klasse wird durch ihre gemessene Zugfestigkeit, ihren Modul und ihre Dehnung nach ASTM D3039 definiert, nicht durch eine Precursor-Tow-Markenbezeichnung. FidStrong stuft sein Gewebe nach Festigkeitsklasse ein — Grade A (hochfest), B (mittel), C (Economy) — jeweils mit veröffentlichten, geprüften Werten; eine Rohstoff-Tow-Bezeichnung sagt nichts Nachprüfbares über den fertigen Verbundwerkstoff aus. Ein Lieferant, der mit einer Tow-Marken-Klasse statt einem geprüften Festigkeits-Modul-Paar mit einer dahinterstehenden Methode wirbt, verkauft die Faser, nicht das Verstärkungssystem.

Hochfest vs. hochmodulig — was ist der Kompromiss?

Sie stehen im Widerspruch zueinander. Repräsentative Normwerte (CNR-DT 200) zeigen ein Niedrigmodul-System bei 160 GPa / 2,800 MPa / 1.6% Bruchdehnung und ein Hochmodul-System bei 300 GPa / 1,500 MPa / 0.5% — eine ungefähre Verdopplung des Moduls halbiert nahezu die Festigkeit und verringert die Bruchdehnung um etwa das Dreifache. Ein höherer Modul bringt Steifigkeit (weniger Durchbiegung, mehr geteilte Last, bevor der Stahl fließt); er bringt keine Festigkeit. Die meisten Verstärkungsgewebe liegen in einem Standardmodul-Band, und der Eurocode-Entwurf Annex J qualifiziert von vornherein nur Systeme mit 150 GPa ≤ Ef ≤ 230 GPa.

Bedeutet ein schwereres Gewebe eine stärkere Faser?

Nein — ein verbreiteter Irrtum. Innerhalb einer Klasse skaliert das Flächengewicht (g/m²) die Dicke der ausgehärteten Lage und die Kraft, die eine Lage aufnehmen kann, nicht die intrinsische Festigkeitsklasse der Faser: FSC200 (200 g/m²) härtet auf 0.111 mm aus, FSC300 auf 0.167 mm, FSC600 auf 0.333 mm. Ein 300 g/m² Grade A-Gewebe hat denselben Modul von 240 GPa und dieselbe mittlere Festigkeit von 4,500 MPa wie ein 200 g/m² Grade A — nur Dicke und Gesamtkapazität pro Meter unterscheiden sich. Wählen Sie das Gewicht nach der pro Lage benötigten Kapazität; wählen Sie die Klasse nach der Festigkeits- und Steifigkeitsklasse.

Warum zeigt dasselbe Gewebe zwei sehr unterschiedliche Festigkeiten?

Weil es zwei legitime Querschnittsbezugsgrößen gibt, und der Unterschied ist drastisch. Auf Basis der Netto-Faserfläche weist FSC200A 4,500 MPa bei 240 GPa auf; auf Basis des Brutto-Laminats (Faser verdünnt auf die volle harzgetränkte Dicke) weist dasselbe Gewebe etwa 1,248 MPa bei 66.6 GPa auf — ein Rückgang um ~3.6× bei identischem Material. Mischen Sie niemals Bezugsgrößen in einer Berechnung, und bemessen Sie niemals nach einem Trockenfaser-Referenzwert: Das Plattendatenblatt von FidStrong stellt ausdrücklich klar, dass der Trockenfaserwert von 5,800 MPa nur als Referenz dient und nicht für die Bemessung verwendet werden darf (der Bemessungswert ist der Laminatwert von 2,800–3,400 MPa).

Bestimmt die Klasse überhaupt die Bemessung?

Oft nicht. Bei der Biegeverstärkung wird die nutzbare Dehnung durch Ablösung begrenzt — εfe = min(εfd, 0.9εfu), mit εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) (ACI 440.2R Eq. 10.1.1) — das heißt, der Verbund versagt, bevor die Faser ihre Nennfestigkeit erreicht; bei der Umschnürung werden nur etwa 55% der Bruchdehnung angerechnet (Kε ≈ 0.55). Zu beachten ist, dass eine Faser mit höherem Modul im Nenner von εfd steht, sodass eine steifere Klasse ihre ablösungsbegrenzte Dehnung tatsächlich früher erreicht. Die Klassenwahl verändert wo die Bemessung begrenzt wird — und wie viel Steifigkeit hinzugefügt wird — mehr, als dass sie die rohe nutzbare Festigkeit erhöht. Siehe Lastübertragungsmechanik für den Grund.

FAQ

Bedeutet eine höhere Tow-Marken-Nummer eine stärkere Faser?

Nein, das ist keine Bemessungseigenschaft. Tow-Marken-Klassen sind Marketing-Bezeichnungen für den Rohstoff; FidStrong stuft Kohlefaser nach gemessener Zugfestigkeit, Modul und Dehnung gemäß ASTM D3039 ein, niemals nach einer Markenbezeichnung. Bemessen Sie anhand der geprüften Mittel- und charakteristischen Werte auf dem Datenblatt, nicht anhand einer Tow-Bezeichnung.

Was ist der Unterschied zwischen hochfester und hochmoduliger Kohlefaser?

Sie stehen im Kompromiss zueinander. Repräsentative Werte zeigen ein Niedrigmodul-System bei ~160 GPa / 2,800 MPa / 1.6% Dehnung gegenüber einem Hochmodul-System bei ~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%. Ein höherer Modul erhöht die Steifigkeit (weniger Durchbiegung), verringert jedoch Festigkeit und Duktilität; die meisten Verstärkungsgewebe sind standardmodulig und hochfest.

Ist ein schwereres (600 g/m²) Gewebe eine höhere Klasse als ein 200 g/m² Gewebe?

Nein. Innerhalb einer Klasse skaliert das Flächengewicht die ausgehärtete Lagendicke (200→0.111 mm, 600→0.333 mm) und die Kapazität pro Meter, nicht den Modul oder die Festigkeitsklasse der Faser. Ein 300 g/m² Grade A hat denselben Wert von 240 GPa / 4,500 MPa wie ein 200 g/m² Grade A.

Warum listet ein Gewebe sowohl ~4,500 MPa als auch ~1,250 MPa?

Zwei Querschnittsbezugsgrößen, nicht zwei Materialien. 4,500 MPa basiert auf der Netto-Faserfläche (blanke Verstärkungsfaser); ~1,248 MPa basiert auf dem Brutto-Laminat (Faser verdünnt auf die volle Harzdicke). Prüfen Sie, welche Bezugsgröße ein Wert verwendet, und mischen Sie sie niemals in einer Berechnung.

Kann ich mit dem Trockenfaserwert von 5,800 MPa bemessen?

Nein. Trockenfaserwerte dienen nur als Referenz — das eigene Plattendatenblatt von FidStrong verbietet die Verwendung von 5,800 MPa für die Bemessung und verweist auf die vorausgehärteten Laminatwerte (2,800–3,400 MPa). Selbst diese werden meist zusätzlich durch Ablösung begrenzt, sobald das System auf Beton verklebt ist.

Ergibt die Wahl einer höheren Klasse proportional mehr Kapazität?

Selten. Die Bemessungsdehnung bei Biegung wird durch Ablösung begrenzt, und die Umschnürung rechnet nur ~55% der Bruchdehnung an, sodass die rohe Faserfestigkeit selten vollständig genutzt wird. Eine Klasse mit höherem Modul erhöht die Steifigkeit, erreicht jedoch ihre ablösungsbegrenzte Dehnung früher — die Klassenwahl verschiebt eher, wo die Begrenzung eintritt, als dass sie die nutzbare Festigkeit anhebt.

FidStrong stellt PAN-basiertes Kohlefasergewebe, Platte, Gitter und Bewehrungsstäbe her, jeweils eingestuft nach geprüfter Leistung (ASTM D3039) im Rahmen von ISO 9001-, 14001- und 45001-Systemen. Die hier genannten Eigenschaftsbereiche stammen aus FidStrong-Datenblättern und Bemessungsnormen (ACI 440.2R, CNR-DT 200, Eurocode); bestätigen Sie Bemessungswerte und Bezugsgrößen anhand des Datenblatts und mit einem qualifizierten Ingenieur.