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kohlenstoff - 2.Version - Referat
Kohlenstoff
Kohlenstoff (von altgerm. kolo = „Kohle“), ist ein chemisches Element der 4. Hauptgruppe. Es kommt in der Natur sowohl in reiner (gediegener) Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.
Vorkommen
Kohlenstoff ist ein essentielles Element der Biosphäre, es ist in allen Lebewesen - nach Sauerstoff (Wasser) - dem Gewicht nach das bedeutendste Element. Alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.
Geologisch dagegen zählt es nicht zu den häufigsten Elementen. Man findet Kohlenstoff in der unbelebten Natur sowohl elementar (Diamant oder Graphit) als auch in Verbindungen. Die Hauptfundorte von Diamant sind Afrika (v. a. Südafrika und der Kongo) und Russland. Diamanten findet man häufig in vulkanischen Gesteinen wie Kimberlit. Graphit kommt relativ selten in kohlenstoffreichem metamorphem Gestein vor. Die wichtigsten Vorkommen liegen in Indien und China.
Am häufigsten findet man Kohlenstoff in Form von anorganischem Carbonatgestein. Carbonatgesteine sind weit verbreitet und bilden zum Teil Gebirge. Ein bekanntes Beispiel für Carbonat-Gebirge sind die Dolomiten in Italien.
Bekannte Kohlenstoffvorkommen sind die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese sind keine reinen Kohlenstoffverbindungen, sondern eine Mischung aus vielen verschiedenen organischen Verbindungen. Sie entstanden durch Umwandlung pflanzlicher (Kohle) und tierischer (Erdöl, Erdgas) Überreste unter hohem Druck. Wichtige Vorkommen für Kohle liegen in den USA, China und Russland. Ein bekanntes deutsches Kohlevorkommen liegt im Ruhrgebiet. Die wichtigsten Erdölvorräte liegen auf der arabischen Halbinsel (Irak, Saudi-Arabien). Weitere wichtige Ölvorkommen sind im Golf von Mexiko und in der Nordsee.
Kohlenstoff kommt weiterhin in der Luft als Kohlenstoffdioxid vor. Es ist an der Zusammensetzung der Luft zu etwa 0,04 % beteiligt. Kohlenstoffdioxid entsteht beim Verbrennen kohlenstoffhaltiger Verbindungen. Auch in Meerwasser ist CO2 gelöst (ca. 0,01 % Massenanteil).
Mengenmäßig ist der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Gesteinshülle (Lithosphäre) gespeichert. Alle anderen Vorkommen machen mengenmäßig nur etwa 1/1000 des Gesamt-Kohlenstoffs aus.
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff bezeichnet einen Faser-Verbundswerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden.
Die Matrix* besteht meist aus Duromeren, zum Beispiel Epoxidharz z.B. Araldit) oder aus Thermoplasten. Für thermisch hoch belastete Bauteile (zum Beispiel Bremsscheiben) kann die Kohlenstofffaser auch in einer Matrix aus Keramik gebunden werden. In extrem hoch belasteten Sonderfällen wird zum Teil auch auf meist Kurzfaserverstärkte Metalle zurückgegriffen.
Bei der Fertigung von CFK ist ein hoher Faservolumenanteil erwünscht, wobei Verunreinigungen (z. B. durch Luftbläschen) minimiert werden sollen. Das Elastizitätsmodul der Faser muss höher sein, als der des Matrixwerkstoffes.
Die Festigkeit und Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials ist, wie bei allen Fasern verbunden, in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faserrichtung. Quer zur Faser ist sie geringer als bei einer unverstärkten Matrix. Deshalb werden einzelne Faserlagen in verschiedenen Richtungen verlegt. Bei Hochleistungs-Konstruktionsbauteilen werden die Faserrichtungen vom Konstrukteur anhand einer Computerberechnung (z. B. mit Hilfe der klassischen Laminattheorie) festgelegt, um die geplante Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen.
CFK wird verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder für Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Speedskates, Tennisschläger, Sportpfeile und Angelruten. Im Bauwesen wird CFK in Form von Lamellen oberflächlich oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt, um Bauwerke zu verstärken.
Fertigungsverfahren.
Die Fertigungsverfahren entsprechen denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Dabei werden vor allem Verfahren eingesetzt, mit denen sich hochwertige Faserverbunde herstellen lassen. CFK-Handlaminate kommen dagegen fast ausschließlich im Kleinserienbau und in der Einzelfertigung zur Anwendung.
Wird als Kunststoffmatrix Phenolharz verwendet und diese anschliessend bei Temperaturen von 800-900°C unter Schutzgas (Stickstoff) pyrolysiert kann eine neue Werkstoffklasse, der kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff erschlossen werden. Phenolharz zeigt hierbei eine Kohlenstoffausbeute > 50 Gew.% wodurch eine poröse Carbonmatrix entsteht, welche durch die Carbonfasern verstärkt ist. Durch wiederholtes Imprägnieren mit Phenolharz oder anderen Materialien mit hoher Kohlenstoffausbeute, wie Flüssigpeche, kann der poröse Anteil gefüllt werden und die Kohlenstoffmatrix mit jeder Imprägnierstufe dichter gemacht werden. Dieses Material wird im Sprachgebrauch als CFC oder CFRC bezeichnet (Kurzform von Carbon Fiber reinforced Carbon).
Das Auffüllen der porösen Matrixstruktur kann auch über eine Gasphasenpyrolyse kohlenstoffhaltiger Gase erfolgen. Dieser Prozess ist jedoch langwieriger als der Flüssigphaseninfiltrationsprozess mit anschließender Pyrolyse. **
* Eine Anordnung in Form einer Tabelle
** Ist die Bezeichnung für die thermische Spaltung organischer Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (500-900 °C) ein Bindungsbruch innerhalb großer Moleküle erzwungen wird.
Meistens geschieht dieses unter Sauerstoffausschluss um die Verbrennung zu verhindern. Man spricht dann auch von Verschwelung.
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