Zugfestigkeit eines Kohlenstofffadens

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo Experten,

im Brett Mathematik gibt es einen thread „Gravitationsüberwindung“, daraus zitiere ich eine Aussage:

die Materialien gibts schon. An nen Kohlenstofffaden von 0,8mm
Durchmesser kann man ne Tone hängen, das dürfte fast reichen.

Ich bin Maschinenbauer und schon relativ lange in Rente. Auch in meinen letzten Berufsjahren habe ich mit den modernen Materialien, wie Kevlar u.s.w. wenig zu tun gehabt.

In meiner Jugend war das reißfesteste Material sogenannter Klaviersaitendraht, ein Stahldraht mit 200 (oft bis 220) kg/mm2 Bruchfestigkeit und hoher Streckgrenze. Heute gibt es auch andere Dimensionen dafür, aber von Newton umzurechnen würde ich noch schaffen.

Obiger Faden hat ziemlich genau einen Querschnitt von 0,5 mm2, so daß die Zugfestigkeit über 2000 kg/mm2 liegen müßte. Hat sich tatsächlich in den letzten 50 Jahren soviel getan? Mit 20 % hätte ich schon gerechnet aber mit 900% iger Steigerung der maximalen Zugfestigkeit nicht. Bitte um Aufklärung.

Grüße, Rudolf

#2

Hallo Rudolf,

noch arbeiten Ingenieure an dem Thema, keine Magier! :wink:

Eine hochfeste Kohlenstofffaser (z.B. T1000 von Toray) kommt auf eine Zugfestigkeit von gut 6 GPa, also ca. 1/3 der von Dir angegebenen 2000 kg/mm2. Aber diese ist natürlich nur ein theoretischer Wert, da das Material eigentlich nur als Verbund mit Kunstharz eingesetzt wird. Bei 50% Faservolumengehalt hat eine UD-Schicht in Faserrichtung dann noch ca. die Hälfe dieses Wertes. Und ein Verbund aus unterschiedlich ausgerichteten Einzelschichten sinkt dann rasant unter den Wert von Wald-und-Wiesenstahl.

Gruß
Ted

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#3

Hallo Rudolf,

scheint mir auch etwas zu hoch, hier habe ich etwas gefunden.

ARAMIDFASERN
Aramidfasern (auch Kevlar genannt, Markenname von DuPont) haben etwa die gleiche Festigkeit wie Glasfasern (Dichte 1,44g/cm³, Zugfestigkeit 2800N/mm²) sind aber wesentlich zäher, sprich: sie lassen sich wesentlich stärker dehnen bis zum Versagen. Sie sind organische Chemiefasern auf der Basis aromatischer Polyamide.

Bei Aramidfasern muss man zwischen Low-Modulus-Fasern und High-Modularfasern unterscheiden:

Low Modulus: Dichte 1,45g/cm³, Zugfestigkeit 2800N/mm², E-Modul 59 kN/mm2
High Modulus: Dichte 1,45g/cm³, Zugfestigkeit 2900N/mm², E-Modul 127 kN/mm2
Hochmodulfasern werden vor allem für schlag- und stoßbeanspruchte Bauteile verwendet, Low-Modulus-Fasern werden als Panzerung eingesetzt (z.B. für „Kugelsichere Westen“).

KOHLEFASER
Kohlefaser hat die Flugzeugkonstruktionen der letzten Jahre nachhaltig beeinflusst. Durch sie konnten im Computer entwickelte, moderne Tragflügelprofile mit sehr geringer Bauhöhe realisiert werden, die in Glasfaserbauweise schlichtweg zu schwer geworden wären. Kohlefasern wurden bereits Anfang der siebziger Jahre verwendet.

Bei Kohlefasern muss man zwischen hochfesten („high tenacity“) und hochmodulen („high modulus“) unterscheiden:

High Tenacity: Dichte 1,78g/cm³, Zugfestigkeit 3500N/mm², E-Modul 235 kN/mm2
High Modulus: Dichte 1,84g/cm³, Zugfestigkeit 3600N/mm², E-Modul 474 kN/mm2

Gruß Wolfgang

#4

Hallo Rudolf !

Dann gibts da noch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen:
„Mit einem Durchmesser von nur wenigen millionstel Millimetern sind Nanoröhrchen die kleinsten röhrenförmigen Gebilde, die Forscher jemals beobachteten. … Im Durchschnitt, so fanden die Forscher heraus, ist eine spezifische Zugkraft von 30 bis 50 Gigapascal (GPa) nötig, um ein einzelnes Nanoröhrchen zu zerreißen. Im Vergleich hierzu halten Kohlenstofffasern, die in der Luftfahrt und für Sportausrüstungen eingesetzt werden, nur etwa fünf GPa aus, Stahl reißt bereits bei drei GPa. Die gemessene Steifheit der Graphitzylinder lag bei 1000 GPa, was im Vergleich zu herkömmlichen Materialien ebenfalls sehr hoch ist.“ [http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/344193]

mfg
Christof

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#5

Hallo Rudolf

hier werden die Eigenschaften von „Kunstfasern“ und ihre Anwendung als Verbundwerkstoffe recht ausführlich beschrieben.

http://www.akaflieg.uni-karlsruhe.de/harzlehrgang.html

Gruß

Peter

#6

Hallo,

ich will dir auch gleich selbst antworten.

Diese Fasern, von denen ich sprach, wurden erst neu entwickelt. sie sind 7nm stark und haben ein Loch von 4nm. die eigenschaften sind noch weit extremer, ich muß mich aber mit Informationen darüber noch etwas zurückhalten.

Es läßt sich z.B. ein nichtmetallisches Blech herstellen (. z.B. 1mm stark), über welches, wenn es hohl zwischen zwei Kanten liegt, man mit einem Panzer befahren kann. Da kommt noch einiges an irre klingenden Materialien in der nächsten Zeit.

Frank

#7

Ich bin Maschinenbauer und schon relativ lange in Rente. Auch
in meinen letzten Berufsjahren habe ich mit den modernen
Materialien, wie Kevlar u.s.w. wenig zu tun gehabt.

Hallo, Rudolf

Du würdest Deinen Beruf nicht wiedererkennen:

keramische Werkstoffe, Oberflächentechnik, optische Lageerkennungssysteme, u.v.a.m.
In den letzten 15 Jahren haben sich relativ einfach überschaubare technische Bereiche (zu Deiner Zeit war hartverchromen sicher das nonplusultra) zu monströsen Fachgebieten entwickelt, als Konstrukteur ist man da mittlerweile ziemlich hilflos:

ein Beispiel:Gleitlager - http://194.8.198.50/default.asp?LANGUAGE=D

Gruß

Peter

#8

Hallo Experten,

danke für die interessanten Beiträge, toll was sich da alles getan hat und noch tut …

Grüße, Rudolf

#9

Naja,

die sogenannte Festigkeit eines Materials ist eigentlich nur eine Eigenschaft, welche sich aus einer statistisch hohen Zahl von Einzeleigenschaften ergibt.

D.h. Gitterfehler und Gefügestrukturunterscheide von diversen Stählen ergibt auch verschiedene Festigkeit.

Ein idealer Kristallaufbau hat eine sehr viel höhere Festigkeit und ist nicht mit den Ergebnissen von Zugproben an Normkörpern zu vergleichen.

Gruß

Matthias

Hallo Experten,