Die Kohlenstofffaserprüfung umfasst die charakterisierung von Endlos- und Kurzfasern, Garner, Geweben sowie fertig konfektionierten Verbundlaminaten mit duroplastischer oder thermoplastischer Matrix. Gegenstand der Untersuchung sind Faserdurchmesser und Dichte, mechanische Kennwerte, der Verbund zwischen Faser und Matrix sowie das thermische und morphologische Verhalten. Der Prüfablauf gliedert sich in Probennahme und Konditionierung, mechanische Verfahren wie Zug-, Biege- und Interlaminarscherprüfung, thermische und chemische Analysen mit TGA, DSC und REM sowie die Bewertung der Wiederholgenauigkeit der Kennwerte. Die Ergebnisse dienen der Werkstoffauswahl, der Prozessüberwachung und der Konformitätsbewertung gegenüber internationalen Normen.
Prüfgegenstand und Probenarten
Prüfgegenstand sind Kohlenstofffasern in allen Verarbeitungsstufen: unverarbeitete Rovings und Garne, textile Flächen wie Gelege und Gewebe, imprägnierte Prepregs sowie ausgehärtete Faserverbundlaminate. An Endlosfasern stehen Filamentdurchmesser, Feinheit in tex, Dichte und die Zugfestigkeit des einzelnen Filaments im Vordergrund. Bei Prepregs kommen Harzgehalt, flüchtige Anteile und Gelierzeit hinzu. Laminatproben werden als flache Platten entnommen und je nach Prüfrichtung aus 0°-, 90°- oder ±45°-Lagen aufgebaut, da die Kennwerte von der Faserorientierung abhängen. Für die Interlaminarscherprüfung kommen rechteckige Probekörper zum Einsatz. Die Probennahme erfolgt nach einem Prüplan, der Entnahmestelle, Orientierung und Konditionierungszustand festlegt. Dokumentiert werden Charge, Lagenaufbau und Aushärtebedingungen.
Probenvorbereitung und Konditionierung
Vor jeder Prüfung werden die Proben auf definierte Maße gebracht. Laminatplatten werden mit diamantbestückten Werkzeugen geschnitten oder gefräst, um randnahe Risse und Delaminationen zu vermeiden; die Schnittkanten werden geschliffen und auf parallele Flächen kontrolliert. An den Enden der Zugproben werden kraftschlüssige Anbackplatten oder Tabplatten aufgeklebt, um Versagen in den Klemmbacken zu unterbinden. Vor der Prüfung erfolgt die Konditionierung in einem Normklima, üblicherweise bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchte, über eine festgelegte Dauer; alternative Bedingungen wie Trocknung oder Feuchtlagerung dienen der Simulation späterer Einsatzumgebungen. Fasern werden vor der Prüfung auf Spulen spannungsfrei abgezogen und deren Feinheit gravimetrisch bestimmt. Abweichungen bei Dicke und Breite gehen direkt in die Spannungsberechnung ein und sind deshalb lückenlos zu messen.
Mechanische
Prüfverfahren — Zug-, Biege- und Interlaminarscherprüfung
Die Zugprüfung an Filamenten und Rovings erfolgt auf universellen Prüfmaschinen mit Feinkraftaufnehmer und Friktionsklemmen oder Capstan-Klemmungen; erfasst werden Zugfestigkeit, E-Modul und Bruchdehnung bei konstanter Geschwindigkeit. Laminatzugproben werden nach den einschlägigen Verfahren mit Dehnungsmessstreifen oder optischem Dehnungsmesssystem instrumentiert, um Modul und Querkontraktionszahl getrennt zu bestimmen. Die Biegeprüfung erfolgt in der Dreipunkt- oder Vierpunktanordnung; Kennwerte sind Biegefestigkeit und Biege-E-Modul, wobei das Stützweitenverhältnis so gewählt wird, dass Faserversagen vor Interlaminarschubversagen eintritt. Die Interlaminarscherprüfung nach dem Kurzstabverfahren liefert die scheinbare Scherfestigkeit zwischen den Lagen. Für jeden Kennwert ist das Bruchbild zu dokumentieren, da es zwischen Faser-, Matrix- und Verbundversagen unterscheidet und die Plausibilität der Messwerte stützt.
Thermische
und chemische Analyse — TGA, DSC, SEM
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) erfasst den Masseverlust unter kontrollierter Atmosphäre und liefert die Temperaturbereiche der Matrixzersetzung sowie nach Oxidation der organischen Anteile den Fasergehalt des Verbunds; die Restmasse dient der Bestimmung der Faser-Matrix-Zusammensetzung. Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) misst die Glasübergangstemperatur, bei thermoplastischen Matrizes zusätzlich Schmelz- und Kristallisationsvorgänge sowie Restumsatz einer unvollständig ausgehärteten duroplastischen Matrix. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) bildet Bruchflächen und geschliffene Querschnitte ab; beurteilt werden Faser-Matrix-Haftung, Porosität, Lagenfolge und Versagensarten. Ergänzend können Elementaranalysen der Faseroberfläche Auskunft über haftungsvermittelnde Funktionalisierung geben. Für aussagekräftige Vergleiche werden gleiche Aufheizraten, Atmosphären und Probenvorbereitungen beibehalten, da diese Parameter die Messergebnisse beeinflussen.
Prüfkennwerte und Wiederholgenauigkeit
Zentrale Kennwerte sind Zugfestigkeit und Zug-E-Modul der Faser beziehungsweise des Laminats, Biegefestigkeit, Interlaminarscherfestigkeit, Dichte, Fasergehalt sowie Glasübergangs- und Zersetzungstemperatur. Kohlenstofffaserverbunde verhalten sich bis zum Bruch nahezu linear elastisch, sodass die Streuung vor allem von Fehlern in der Probenvorbereitung, der Faserausrichtung und der Spannungsberechnung herrührt. Deshalb werden Wiederholprüfungen an mehreren Probekörpern je Bedingung durchgeführt und Mittelwert, Standardabweichung sowie Variationskoeffizient angegeben. Für die Modulermittlung ist ein einheitliches Dehnungsmessintervall festzulegen, da sich der Rechengebrauch sonst zwischen Laboren unterscheidet. Statistische Ausreißerprüfungen gehören zum Auswerteprotokoll. Eine kalibrierte Prüfkraftmessung, geprüfte Dehnungsmesssysteme und normenkonforme Klimatisierung sind Voraussetzung für eine Wiederholgenauigkeit, die Vergleiche zwischen Chargen und Lieferanten trägt.
Anwendungsszenarien
und Normen (ASTM, ISO, EN)
Die Prüfung unterstützt die Eingangskontrolle von Fasern und Prepregs, die Verfahrensqualifikation von Aushärteprozessen, die BauTeilqualifikation im Leichtbau sowie Schadensanalysen nach Betriebsbelastung. Anwendungsbranchen sind der Luftfahrtbau, der Fahrzeugbau, der Sportartikel- und Anlagenbau sowie die Windenergie. Maßgebliche Verfahrensnormen stammen aus den Reihen ASTM D3039 für die Laminatzugprüfung, ASTM D3518 für die Scherprüfung nach dem ±45°-Verfahren, ASTM D2344 für den Kurzstabscherversuch, ASTM D790 für die Biegeprüfung sowie ASTM D4018 für die Zugprüfung textiler Carbonfasern. Auf internationaler Ebene gelten die ISO 527 für die Zugprüfung, ISO 14125 für die Biegeprüfung und ISO 14130 für die Interlaminarscherprüfung. Europäische Normen der EN-Reihe regeln verbundspezifische Prüfungen. Die Normwahl wird im Prüfauftrag vorab festgelegt.
FAQ
Wie läuft die Beauftragung einer Kohlenstofffaserprüfung ab und welche Angaben sind wichtig?
Der Auftraggeber reicht eine Anfrage mit Probenbeschreibung, angestrebten Kennwerten und Wunschnormen ein, etwa Zug-, Biege- oder Interlaminarscherprüfung nach ASTM oder ISO. Wichtig sind Angaben zu Lagenaufbau, Aushärtezustand und Prüfrichtung, da diese die Probengeometrie und das Prüfverfahren bestimmen. Danach erhält er einen Prüfauftrag mit Umfang, Probenzahl und Termin.
Welche
Faktoren beeinflussen die Kosten einer Kohlenstofffaserprüfung?
Kostentreiber sind die Anzahl der Probekörper je Bedingung, der Aufwand der Probenvorbereitung etwa durch Kleben von Tabplatten, die gewählten Verfahren sowie ergänzende Analysen wie TGA, DSC oder REM. Auch die Konditionierungsdauer und die Dokumentationstiefe wirken sich auf den Aufwand aus. Mehrere Kennwerte aus einer Platte reduzierden Präparationsaufwand.
Wie werden Wiederholprüfungen und Datenstreitigkeiten bei Kohlenstofffaserkennwerten gehandhabt?
Bei Abweichungen wird zunächst das Prümfprotokoll auf Geometrie, Klimatisierung und Auswerteintervall geprüft, da diese Punkte die Streuung maßgeblich bestimmen. Bruchbilder aus der Zug- oder Scherprüfung helfen, ungültige Versagensformen zu erkennen. Im Streitfall veranlasst eine der Parteien eine Wiederholung mit definierten statistischen Kennwerten in einem akkreditierten Labor.