Wer hat die Kohlefaser entdeckt? Eine faktengeprüfte Geschichte

Kohlefaser wurde nicht in einem einzigen Schritt erfunden. Joseph Swan wird gemeinhin die Herstellung eines frühen Kohlefaserstrangs um 1860 zugeschrieben, und Thomas Edison brachte 1879 karbonisierte Zellulosestränge auf den Markt. Roger Bacon stellte 1958 die ersten Hochleistungskohlefasern vor. Akio Shindo entwickelte dann 1961 das PAN-basierte Verfahren, auf dem die Herstellung der meisten heute produzierten Kohlefasern beruht.

Diese Unterscheidung ist von Bedeutung. Swan und Edison stellten Kohlenstofffäden her, die in Glühbirnen leuchten konnten. Bacon zeigte, welche mechanischen Eigenschaften nahezu perfekte Graphitfäden aufweisen. Shindo und spätere Forscher fanden praktische Wege, um aus Polymervorläufern starke, durchgehende Verstärkungsfasern herzustellen.

Wer hat die Kohlefaser entdeckt? Die kurze Antwort

Wenn mit “Kohlefaser” das früheste künstlich hergestellte Kohlenstofffilament gemeint ist, lautet die Antwort Joseph Swan. Wenn damit die erste Hochleistungskohlefaser gemeint ist, lautet die Antwort Roger Bacon. Bezieht sich der Begriff auf die PAN-basierte Faser, die in den meisten modernen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verwendet wird, so spielten Akio Shindo und das britische Royal Aircraft Establishment eine zentrale Rolle bei ihrer Entwicklung.

Warum in verschiedenen Quellen unterschiedliche Erfinder genannt werden

Die Meinungsverschiedenheit ergibt sich aus der Definition von Kohlefaser und nicht nur aus den historischen Aufzeichnungen.

Ein vollständig aus Kohlenstoff bestehendes Filament, das für eine Lampe hergestellt wurde, gilt chemisch gesehen als Kohlenstofffaser. Es weist jedoch nicht die mechanischen Eigenschaften auf, die man von einer strukturellen Verstärkung erwarten würde. In der modernen Technik versteht man unter dem Begriff “Kohlenstofffaser” in der Regel Endlosfasern mit hoher Zugfestigkeit oder Steifigkeit, die eine Harzmatrix verstärken können.

Kohlefaser und ein fertiges Kohlefaserverbundmaterial Es handelt sich zudem um unterschiedliche Materialien. Als Verstärkung dienen Kohlefasern. Bei CFK werden diese Fasern mit einer Polymermatrix – häufig Epoxidharz – kombiniert. Die Fasern nehmen einen Großteil der Zugbelastung auf; die Matrix bindet sie, verteilt die Belastung auf die Fasern und verleiht dem Bauteil seine Form. Dieses gesamte Materialsystem wurde nicht von einem einzigen Erfinder entwickelt.

Joseph Swan und Thomas Edison: Das Zeitalter der Kohlefäden

Joseph Swans Experimente mit verkohltem Papier werden gemeinhin auf etwa 1860 datiert. Sein Ziel war ein Glühfaden für Glühlampen, der Strom leiten und Hitze im Vakuum aushalten konnte. Das Material war Kohlenstoff, sollte jedoch nicht zur Verstärkung eines Bauteils dienen.

Thomas Edison beschäftigte sich Ende der 1870er Jahre mit demselben Problem der Beleuchtung. Die American Chemical Society berichtet, dass Edison Baumwollfäden oder Bambussplitter in die gewünschte Form brachte und sie bei hoher Temperatur aushärtete. Durch die Karbonisierung wurden nicht-kohlenstoffhaltige Elemente entfernt, während die Form des Glühfadens erhalten blieb. Edison gebührt daher möglicherweise die Anerkennung für die erste kommerzielle Kohlefaser, auch wenn deren Verwendungszweck eher elektrischer als struktureller Natur war.

Diese Lampenfäden waren wichtige Vorläufer. Sie bewiesen, dass ein Material auf Zellulosebasis zunächst geformt und anschließend in Kohlenstoff umgewandelt werden konnte. Dieser Ablauf vom Vorläufer zum Kohlenstoff ist nach wie vor Teil der Kohlefaserherstellung, auch wenn die heutigen Rohstoffe, Kontrollverfahren, Öfen, Oberflächenbehandlungen und Leistungsziele weitaus fortschrittlicher sind.

Roger Bacon und die ersten Hochleistungs-Kohlefasern

Roger Bacons Entdeckung im Jahr 1958 im Parma Technical Center von Union Carbide läutete das moderne Hochleistungszeitalter ein. Bei der Untersuchung von Graphit unter hohen Temperaturen und hohem Druck in einem Kohlebogen entdeckte Bacon lange Graphitwhisker in einer festen Ablagerung. Diese waren dünn, biegsam und im Verhältnis zu ihrem Gewicht weitaus fester und steifer als frühere handelsübliche Kohlenstofffasern.

Laut der Amerikanische Chemische Gesellschaft, Bacons „Whiskers“ erreichten eine Zugfestigkeit von etwa 20 GPa und einen Elastizitätsmodul von etwa 700 GPa. Diese Werte bezogen sich auf außergewöhnliche Laborfilamente, nicht auf wirtschaftlich herstellbare Fasern. Bacon schätzte, dass ihre Herstellung damals etwa $10 Millionen pro Pfund kostete. Die Entdeckung belegte das mechanische Potenzial von faserförmigem Graphit, doch die Industrie benötigte noch ein skalierbares Verfahren.

Bacon hat diese Fasern nicht aus PAN hergestellt. Das ist ein weit verbreiteter historischer Irrtum. Sein US-Patent Nr. 2.957.756 beschreibt fadenförmigen Graphit, der in einem Lichtbogen hergestellt wird. Kohlenstofffasern auf PAN-Basis entstanden im Rahmen einer separaten Forschungslinie.

Von Rayon bis hin zu handelsüblichen Hochmodulfasern

Forscher von Union Carbide beschäftigten sich zudem mit Rayon, einem Vorläufer der regenerierten Zellulose. Im Jahr 1959 ließen Curry Ford und Charles Mitchell ein Verfahren patentieren, bei dem Rayonfasern und -gewebe bei Temperaturen von bis zu 3.000 Grad Celsius wärmebehandelt wurden. Das daraus resultierende Material fand Anfang der 1960er Jahre Eingang in fortschrittliche Verbundwerkstoffanwendungen.

Fasern auf Rayonbasis blieben in ihrer Steifigkeit jedoch weiterhin hinter Bacons Graphitwhiskern zurück. Im Jahr 1964 dehnten Bacon und Wesley Schalamon Kohlenstoffgarn, während sie es auf über 2.800 Grad Celsius erhitzten. Durch das Dehnen wurden die Graphitschichten stärker an der Faserachse ausgerichtet, wodurch sich der Elastizitätsmodul etwa verzehnfachte. Union Carbide vermarktete Fasern, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, unter dem Namen Thornel.

Dieser Teil der Geschichte ist von Bedeutung, da er eine Entdeckung im Labor mit einem marktfähigen Produkt verbindet. Es war jedoch nicht dieses Verfahren, das den globalen Markt für Strukturfasern dominieren sollte.

Akio Shindo und das heute verwendete PAN-Verfahren

Im Jahr 1961 stellte Akio Shindo vom staatlichen Industrieforschungsinstitut in Osaka (Japan) hochfeste, hochmodulige Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril vor. Die American Chemical Society berichtet von einem Elastizitätsmodul von über 140 GPa, was etwa dem Dreifachen des Moduls der damals verfügbaren Fasern auf Rayonbasis entsprach. Japanische Forscher führten das Verfahren bis 1964 bis zur Pilotproduktion.

Im Vereinigten Königreich entwickelten William Watt und seine Kollegen am Royal Aircraft Establishment 1964 eine PAN-Faser mit noch höherer Leistungsfähigkeit. Britische Unternehmen erwarben Lizenzen für die kommerzielle Produktion dieser Technologie. Toray Industries verbesserte später die Qualität des PAN-Vorprodukts und unterzeichnete 1970 eine Vereinbarung über eine gemeinsame Technologieentwicklung mit Union Carbide.

PAN setzte sich durch, weil es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, Kohlenstoffausbeute, Zugfestigkeit und Konsistenz bot. Laut SAMPE basieren etwa 92% der derzeitigen Kohlefaserproduktion auf PAN. Aus Pech gewonnene Fasern spielen weiterhin eine wichtige Rolle, wenn ein sehr hoher Elastizitätsmodul oder eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit die höheren Kosten rechtfertigen.

Wie aus einem PAN-Vorprodukt eine Kohlefaser entsteht

Die moderne PAN-basierte Produktion folgt im Großen und Ganzen dem gleichen wissenschaftlichen Ablauf, der in dieser Zeit entwickelt wurde:

1. Spinnen: Ein Hersteller verarbeitet PAN-Polymer zu feinen Vorläuferfilamenten und zieht diese, um die Molekülketten auszurichten.
2. Stabilisierung: Durch kontrolliertes Erhitzen an der Luft wandelt sich das Polymer in eine thermisch stabile Leiterstruktur um.
3. Karbonisierung: Durch eine Behandlung bei höheren Temperaturen in einer inerten Atmosphäre werden die meisten Nicht-Kohlenstoffatome entfernt.
4. Optionale Behandlung bei höheren Temperaturen: Eine weitere Wärmebehandlung kann den Elastizitätsmodul durch eine Erhöhung der strukturellen Ordnung steigern, was in der Regel jedoch zu Einbußen bei anderen Eigenschaften führt.
5. Oberflächenbehandlung und Appretur: Die Faseroberfläche wird vorbehandelt und beschichtet, um die Handhabung und die Haftung mit dem vorgesehenen Harzsystem zu verbessern.

Die Geschichte verdeutlicht, warum die Auswahl des Ausgangsmaterials auch bei einem fertigen Bauteil nach wie vor eine Rolle spielt. PAN, Rayon und Pech ergeben keine untereinander austauschbaren Fasern. Auch die Bedingungen der Wärmebehandlung beeinflussen Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit und Kosten. Ein Konstrukteur wählt daher eine Fasersorte und ein Laminatsystem für einen bestimmten Belastungsfall aus und nicht einfach nur aufgrund der Bezeichnung “Kohlefaser”.”

Seit wann wird Kohlefaser als Konstruktionswerkstoff eingesetzt?

In den 1960er Jahren wurde Kohlefaser zu einem praxistauglichen Verstärkungsmaterial für Tragwerke. Mit Unterstützung der US-Luftwaffe wurden Fasern auf Rayonbasis für Raketendüsen, Hitzeschilde, Raketenkomponenten und Flugzeugstrukturen weiterentwickelt. Dank der PAN-Technologie in Japan und Großbritannien konnten bald Fasern mit besserer Leistungsfähigkeit und größerem Herstellungspotenzial hergestellt werden.

In den 1970er Jahren weitete sich die kommerzielle Nutzung aus, da sich die Faserqualität und das Produktionsvolumen verbesserten. Die Luft- und Raumfahrt blieb ein früher Markt, da sich die Material- und Verarbeitungskosten durch die Gewichtsreduzierung rechtfertigen ließen. Sportartikel und der Motorsport sorgten später für sichtbare Verbraucheranwendungen von Kohlefaserverbundwerkstoffen. Der 1981 vorgestellte McLaren MP4/1 wird weithin mit dem ersten Monocoque aus Kohlefaserverbundwerkstoff in Verbindung gebracht, das in Formel 1, aber die Formel 1 hat die Kohlefaser nicht erfunden.

Was diese Entwicklung für Käufer von Kohlefaser bedeutet

“Kohlefaser” bezeichnet eine Materialgruppe und keine einzelne Spezifikation. Zwei schwarze Gewebelaminate können sich hinsichtlich Faserqualität, Faserbandgröße, Webart, Harz, Faserausrichtung, Faseranteil, Aushärtungszyklus, Hohlraumgehalt und Oberflächenbeschaffenheit unterscheiden. Diese Variablen beeinflussen die Steifigkeit, das Schlagverhalten, die Temperaturgrenzen, die Dimensionsstabilität, das Erscheinungsbild und den Preis.

Bei einem Beschaffungsprojekt sollten Sie zunächst das Bauteil definieren, bevor Sie sich für ein Verfahren entscheiden. Zu den nützlichen Angaben gehören die Belastungsrichtung, die zulässige Durchbiegung, die Betriebstemperatur, das Stoßrisiko, das Zielgewicht, die Anforderungen an die Oberfläche, das Jahresvolumen, die Prüfkriterien und die Passflächen. Eine Zierabdeckung und eine tragende Halterung sehen zwar ähnlich aus, erfordern jedoch unterschiedliche Werkstoffsysteme und Qualitätskontrollen.

Wenn Sie eine kundenspezifisches CFK-Bauteil, senden Sie die Zeichnung, die Anfrage, die voraussichtliche Menge und die Leistungsanforderungen an eine Carbonverbundhersteller. Dadurch erhält das Ingenieurteam genügend Hintergrundinformationen, um die Faserstruktur und die Formgebungsmöglichkeiten zu erörtern, anstatt sich allein auf das äußere Erscheinungsbild zu stützen.

Häufig gestellte Fragen

Wurde Kohlefaser im Jahr 1860 oder 1958 erfunden?

Beide Daten beziehen sich auf unterschiedliche Meilensteine. Um 1860 stellte Joseph Swan einen frühen Kohlefaser-Glühfaden für die Beleuchtung her. Im Jahr 1958 demonstrierte Roger Bacon die ersten Hochleistungs-Graphitfasern. Die Entdeckung von 1958 ist der bessere Ausgangspunkt für die Geschichte der strukturellen Kohlefaser.

Hat Thomas Edison die Kohlefaser erfunden?

Edison stellte 1879 Lampenfäden aus karbonisierter Zellulose her und brachte sie auf den Markt. Nach Angaben der American Chemical Society hat er möglicherweise die erste kommerziell nutzbare Kohlefaser entwickelt. Die hochleistungsfähigen Verstärkungsmaterialien, die in modernen CFK-Konstruktionen zum Einsatz kommen, hat er jedoch nicht erfunden.

Hat Roger Bacon die PAN-basierte Kohlefaser erfunden?

Nein. Bacon entdeckte 1958 in einem Kohlenstofflichtbogen hochleistungsfähige Graphitwhisker und war später an der Entwicklung von Rayonfasern mit hohem Elastizitätsmodul beteiligt. Akio Shindo demonstrierte 1961 in Japan ein erfolgreiches Verfahren auf PAN-Basis. William Watt und das Royal Aircraft Establishment verbesserten 1964 die Leistungsfähigkeit von PAN-Fasern.

Wer hat die Kohlefaser für die Formel 1 erfunden?

Kein Formel-1-Team hat die Faser selbst erfunden. McLaren führte 1981 das Monocoque aus Kohlefaserverbundwerkstoff des MP4/1 ein und arbeitete dabei gemeinsam mit Hercules Aerospace an der Verbundstruktur. Dies war eine bedeutende Anwendung der bestehenden Kohlefasertechnologie im Motorsport.

Was ist der Unterschied zwischen Kohlefaser und CFK?

Kohlefaser ist das Verstärkungsfilament. CFK ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlefasern in eine Polymermatrix – üblicherweise Epoxidharz – eingebettet sind. Die Art und Ausrichtung der Fasern bestimmen maßgeblich die Richtungssteifigkeit und Festigkeit, während die Matrix die Fasern bindet, die Last überträgt und die Form des Bauteils vorgibt.

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