Einsatzgebiete von (recycelten) Carbon- und Glasfasern

Aufgrund seiner Vielfältigkeit werden faserhaltige Materialien breit angewandt und findet in vielen verschiedenen Bereichen ihren Einsatz. Heute sind Kohlenstoff- und Glasfasern sowie daraus hergestellte Produkte eine etablierte Materialklasse. Solche Faserverbundwerkstoffe sind mit ihren einzigartigen Eigenschaften aus heutigen Bereichen der Technik nicht mehr wegzudenken [1, 2].

Die hervorragenden Eigenschaften eröffnen ein großes Potential für den Leichtbau. Auch die gezielt einstellbaren mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften sorgen für den Einzug von Carbonfasern in viele Industriezweige, wie den Fahrzeug- und Maschinenbau, die Luft- und Raumfahrttechnik, die Energieerzeugung durch Windkraft und das Bauwesen im Bereich der Textilbetontechnologie [2, 3].

Marktaufteilung

Die Nachfrage nach Faserverbundwerkstoffen ist in den letzten zehn Jahren kontinuierlich um etwa 11 % gestiegen [4]. Der Markt verteilt sich auf Haushalts- und Freizeitgeräte (21 %), Windenergie (14 %), Automobil- und Schifffahrtsindustrie inklusive Transport (24 %), Luft- und Raumfahrtindustrie inklusive Verteidigung (36 %) und zunehmend die Bauindustrie mit dem Einsatz von Carbonbeton (5 %) [5]. Im Jahr 2050 wird erwartet, dass Faserverbundwerkstoffe schrittweise viele der derzeitigen Anwendungen von Kunststoffen und Metallen ersetzen [6]. Weitere Fortschritte beim Recycling von Faserverbundwerkstoffen werden diesen Ansatz unterstützen.

Luft- und Raumfahrt

Carbon- und Glasfasern sind bekannt für ihre hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht, was sie ideal für den Einsatz in Flugzeugen und Raumfahrzeugen macht. Diese Materialien ermöglichen nicht nur eine Gewichtsreduktion, sondern tragen auch zur Verbesserung der Treibstoffeffizienz und zur Reduzierung von CO₂-Emissionen bei, was in der heutigen Zeit von wachsender Bedeutung ist.

Mobilität und Transport

Ein Beispiel für den innovativen Einsatz dieser Materialien ist die Forschung an Wasserstofftanks, die mit CFK-Komponenten verstärkt sind [7]. Diese Technologie könnte in Zukunft in einer Vielzahl von Transportmitteln zum Einsatz kommen, darunter herkömmliche Autos, Drohnen, Schiffe und Züge. Im Bereich des Fahrzeugbaues und des industriellen Transports (Gabelstapler etc.) eröffnet der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen neue Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz.

Windenenergie

Erneuerbare Energien ist der Bereich, von dem ein besonders großes Wachstum zu erwarten ist [8]. Vor dem Hintergrund der Besorgnis über die Auswirkungen des Klimawandels konnte sich der Windenergie-Sektor inzwischen als ökologische Alternative zur Energieerzeugung sowie als ökonomisch sehr erfolgreicher Wirtschaftszweig etablieren. Hier werden die CFK-Komponenten verwendet, wenn größere Windblätter zum Einsatz kommen. Hohe technische Material-Anforderungen machen den Einsatz von Carbonfasern zunehmend notwendig, wohingegen für kürzere Rotorblätter noch Glasfasern eingesetzt werden können.

Sport

In diesem Anwendungsbereich sind sowohl großvolumige Einsatzgebiete wie Sportgerätebau (Fahrrad, Golf, Hockey, Tennis, Wintersport) als auch Individuallösungen, beispielsweise aus dem Leistungssport-Segment inbegriffen. Da hier technische Anforderungen und Marketingaspekte meist über preisliche Restriktionen dominieren, können sich CFK dank ihres Leistungsspektrums durchsetzen [9].

Bauwesen

Im Bauwesen ist vor allem Carbonbeton aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und der geringen Dichte der Bewehrung aus Carbon- oder Glasfasern relevant [10]. Mit Carbonbeton lassen sich die notwendigen Mindestdicken der Betondeckung, zum Schutz der Stahlbewehrung vor Korrosion, deutlich reduzieren und schlankere und somit umweltfreundlichere Betonkonstruktionen bauen [11].

Aber auch für die Erkennung von Belastungszuständen, bieten nichtmetallische Bewehrungen neues Potential für gängig genutzte Methoden. Bei der großflächigen Erfassung von Dehnungen können Carbonfasern in Verbundbauteile integriert werden und so mechanische Störstellen im Verbundbauteil vermieden und das Verbundbauteil zusätzlich verstärkt werden [6].

Stand 2025-01-29

Quellenverzeichnis
[1] Lengsfeld, H., Mainka, H., & Altstädt, V. (2019). Carbonfasern: Herstellung, Anwendung, Verarbeitung. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG.
[2] Mahboubizadeh, S., Sadeq, A., Arzaqi, Z., Ashkani, O., & Samadoghli, M. (2024). Advancements in fiber-reinforced polymer (FRP) composites: An extensive review. Discover Materials, 4(1), 22. https://doi.org/10.1007/s43939-024-00091-9
[3] Kirsten, M., Freudenberg, C., & Cherif, C. (2015). Carbonfasern, der Werkstoff des 21. Jahrhunderts: Textile Ausgangsbasis für filigrane hochtragende Betonbauteile. Beton‐und Stahlbetonbau, 110(S1), 8-15. https://doi.org/10.1002/best.201400105
[4] Kortmann, J., & Minar, S. (2023). Contribution of carbon concrete construction to the circular and resource economy. Buildings, 13(11), 2851. https://doi.org/10.3390/buildings13112851
[5] Carbon Composites e. V. (CU e. V.). (2019). Composite-Marktbericht 2019. Der globale CF- und CC-Markt 2019. Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen.
[6] Graedel, T. E., & Howard-Grenville, J. A. (2005). The Industries of 2050. Greening the Industrial Facility: Perspectives, Approaches, and Tools, 459-468.
[7] Nachtane, M., Tarfaoui, M., Abichou, M. A., Vetcher, A., Rouway, M., Aâmir, A., Mouadili, H., Laaouidi, H., & Naanani, H. (2023). An overview of the recent advances in composite materials and artificial intelligence for hydrogen storage vessels design. Journal of Composites Science, 7(3), 119. https://doi.org/10.3390/jcs7030119
[8] Rajak, D. K., Wagh, P. H., & Linul, E. (2021). Manufacturing Technologies of Carbon/Glass Fiber-Reinforced Polymer Composites and Their Properties: A Review. Polymers, 13(21), 3721. https://doi.org/10.3390/polym13213721
[9] Wang, F. (2021). Application of new carbon fiber material in sports equipment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 714(3), 032064. https://doi.org/10.1088/1755-1315/714/3/032064
[10] Wu, C., Pan, Y., & Yan, L. (2023). Mechanical Properties and Durability of Textile Reinforced Concrete (TRC)-A Review. Polymers, 15(18), 3826. https://doi.org/10.3390/polym15183826
[11] Liebschner, M., Schladitz, F., Dinkelaker, M., Heckert, M., Enghardt, S., & Bauch, J. (2019). Untersuchung von Betonproben mit CFK‐und GFK‐Bewehrung mittels Röntgen-Computertomografie und -laminografie: Betonkörper mit CFK‐und GFK‐Bewehrung. Bautechnik, 96(9), 657-665. https://doi.org/10.1002/bate.201800084