Kunststoffe werden in 3 Kategorien geteilt: Thermoplaste, Duroplaste, und Elastomere. Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Makromolekülen und lassen sich nach Erwärmung plastisch verformen, sowie bei erhöhter Temperatur auch schmelzen.

Bei Duroplasten hingegen sind die Makromoleküle räumlich eng vernetzt. Dieses hat zur Folge, dass Duroplaste sich nicht plastisch verformen und nicht schmelzen lassen. Elastomere werden umgangssprachlich häufig als Gummi bezeichnet. Diese bestehen aus weitmaschig vernetzte Makromoleküle, welche zwar bei Belastung eine Verformung ermöglichen, aber wieder elastisch zurückziehen sobald die Last aufgehoben wird. Die Vernetzung macht es zudem unmöglich ein Elastomer zu schmelzen.

Carbon ist das englische Wort für Kohlenstoff. Somit wird die Kohlenstofffaser oft als Carbonfaser bezeichnet.

Carbonfaser werden aus organischen Ausgangsmaterialien in Faserform hergestellt. Dafür werden Materialien verwendet, die sich in eine unschmelzbare Zwischenstufe umwandeln (Vorbehandlung, bzw. Oxidation) lassen und anschließend in einem Pyrolyseprozess zum Kohlenstoff carbonisiert (Carbonisierung) werden können. Zum Schluß kann optional noch eine Nachbehandlung (Graphitisierung) zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt werden. Während des gesamten Herstellungsprozesses, bleiben die Fasern gestreckt, um eine Orientierung der atomaren Struktur in Faserrichtung zu erzwingen. Dieses fördert wiederum hohe Festigkeiten und Steigfigkeiten in Faserrichtung. Prozesstemperaturen werden von ca 300 °C (Oxidation) über 1500 °C (Carbonisierung) bis zu 2500 °C (Graphitisierung) erhöht. Die Strukturvielfalt der Fasern ist über die Herstellparameter steuerbare Anisotropie der graphitischen Schichten zu erreichen und bietet somit eine große Bandbreite an Eigenschaften.

Als Ausgangsfaser (Precursor) werden am häufigsten Zellulose, PAN (Polyacrylnitril) oder Pech eingesetzt.

Bei Carbonfaser unterscheidet man zwischen

• HT – hochfest (high tensity)
• IM – intermediate (Intermediate Modulus)
• HM – hochsteif (High Modulus)
• UM – (Ultra Modulus)
• UHM – (Ultra High Modulus)
• UMS – (Ultra Modulus Strength)
• HMS – hochsteif/ hochfest (High Modulus & Strength)
  
  

Typische Eigenschaften von Carbonfasern wären

Man unterscheidet zwischen Verstärkungsfasern nach Länge zwischen Kurz-, Lang-, oder Endlosfaser. Meistens werden Bündel, sogenannte Rovings, aus Tausenden von Einzelfasern zusammengefasst.

Diese werden weiterhin in Gelegen, Geweben, oder Geflechten weiterverarbeitet. Bei Gelegen unterscheidet man zwischen Endlosfasergelegen, mit definierten Richtungen einzelner Faserbündel, und Kurzfaservlies von willkürlicher Orientierung.

Gewebe oder Gelege können weiterhin trocken oder als sogenannte Prepregs vorliegen. Bei Prepregs sind die Fasern für die Weiterverarbeitung schon mit Harzen vorimprägniert, so dass bei der Herstellung des Bauteils kein Matrixsystem hinzugefügt werden muss.

Kurzfasern bestehen aus Bündeln geschnittener Fasern bis 3 mm Länge. Für manche Anwendungen werden sie durch Mahlen zerkleinert, wodurch man Längen <1 mm erzeugt und die Bündel zerstört. In diesem Fall erhält man einen feinteiligen faserförmigen Füllstoff, welcher oft thermoplastischen Kunststoffen beigemischt wird, um sogenannte „Compounds“ herzustellen. Diese werden weiterhin u.a. durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Auch Duroplaste lassen sich mit Kurzfasern füllen und als pressfähige Masse zu Bauteilen Formen. Es ist hier zu beachten, dass der Verstärkungseffekt relativ gering ist.

Langfasern werden u.a. zu Matten verarbeitet, wobei eine dünne Polymerschlichte, dem sogenannten „Binder“, dazu beiträgt die Fasern aneinander zu fixieren. Da die Fasern regellos in alle Richtungen der Mattenebene orientiert sind, spricht man von „Wirrfasermatten“.

Endlosfasern werden als Rovings produziert und auf Spulen gewickelt, sodass sie für die Weiterverarbeitung leicht abgezogen werden können. Bei direkten Herstellungsmethoden werden Rovings mit flüssigem Harz oder Thermoplastschmelze infiltriert und anschließend direkt zu einem Bauteil geformt. Für Rohre erfolgt dies durch Faserwickeln, bei Platten durch Faser- oder Bandablegen. Weitere Verfahren erfolgen über textile Halbzeuge, welche eine größere Flexibilität bei der Bauteilkonstruktion bieten.

Im Folgenden sind die typischen Eigenschaften von Glas- und Carbonfaser im Vergleich dargestellt

Die Herstellungsverfahren ähneln denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK).

Für den Kleinserienbau werden Bauteile im Handlaminier oder im Vakuum-Infusoions-Verfahren hergestellt. Bei größeren Serien kommen Verfahren wie dem Faserwickeln, der Pultrusion, dem Pressen, oder des Resin-Transfer-Mouldings (RTM) zum Einsatz. Verfahren wie dem Automated Fiber Placement (AFP) oder dem Automater Tape Laying (ATL) bieten weiterhin einen großen Grad an Automation für Großbauteile.

Leider ist es bis heute schwierig mit herkömmlichen Methoden ein komplettes Materialrecycling zu ermöglichen. Die Herausforderung liegt vor allem bei der Freilegung der Faser ohne diese zu schädigen, so dass sie wieder in neue Produkte eingesetzt werden kann und dabei eine hohe Bauteilperformance garantieren. Heutige Verfahren beruhen auf drei verschiedene Verwertungstechniken:

Werkstoffliches Recycling: Der Abfallstoff wird aufbereitet, um wieder als Werkstoff verwendet zu werden. Wenn Abfallstoffe von Altprodukten sortenrein anfallen, ist es einfacher möglich, Sekunderwerkstoffe mit definierten Eigenschaften herzustellen, als wenn es sich um Mischungen aus verschiedenen Stoffen handelt. Hier werden Abfallstoffe zunächst zerkleinert, sortiert und gereinigt. Thermoplastische Kunststoffe lassen sich aufschmelzen und über weitere Prozessschritte zu Bauteilen verarbeiten. Da Duroplaste nicht aufgeschmolzen werden können, entsteht bei der Aufbereitung ein faserhaltiger Füllstoff, der in begrenzter Menge einem Neustoff beigemischt werden kann. Endlosfaser werden bei den üblichen Aufbereitungsverfahren zerkleinert, sodass die ursprünglichen Eigenschaften nicht beibehalten werden können.
Chemisches Recycling: Der Abfallstoff wird durch chemische Verfahren in niedermolekulare organische Stoffe umgewandelt. Die niedermolekularen Stoffe stellen chemische Rohprodukte dar, die weiter verwertet werden können. Wenn die Zersetzung des Kunststoffes bei Temperaturen < 450 °C stattfindet, können endlose Carbonfaser rückgewonnen werden. Bei Glasfasern liegen die kritischen Temperaturen höher. Das chemische Recycling ist ein kostenaufwendiges Verfahren, welches in der industriellen Praxis bisher nur selten angewendet wird.
Energetische Verwertung: Der Abfallstoff wird verbrannt und die gewonnene thermische Energie wird als Wärme oder zur Stromerzeugung genutzt. Der Heizwert von Kunststoffen liegt in derselben Größenordnung wie von Erdöl, aus dem sie hergestellt wurden. Bei faserhaltigen Verbundwerkstoffen, wird die Carbonfaser mit verbrannt. Glasfaser dagegen brennen nicht und bleiben als Schlacke zurück

Im Folgenden werden diverse Reparaturverfahren kurz erläutert:

Versiegeln: Bei feinen Kratzern, bearbeiteten Kanten, angerauten Flächen oder freigelegten Fasern kann durch feinen Auftrag von Harz die Oberfläche verschlossen werden, so dass die Faser von Umwelteinflüssen geschützt wird.
Verharzen: Poren, Kratzer, Faserausbrüche und Dellen können mit gefülltem Harz verschlossen werden.
Injektion: Delaminationen und Poren können durch einbohren in die Schadstelle mit einer Spritze den beschädigten Bereich eingespritzt werden. Um das Harz in der Schadstelle besser zu verteilen kann mit Hilfsmittel wie Vakuum gearbeitet werden.
Pflasterlaminat: Die Schadstelle/ Delamination wird mit einem angefertigten Patch abgedeckt Der Patch wird verklebt, oder mit Verbindern befestigt.
Schäftung: Eine Delamination wird bis zur Schafstelle ausgeschliffen und eine Schäftung in das Bauteil unter Berücksichtigung eines Schäftungsverhältnisses eingebracht. Einzelne Lagen werden freigeschliffen um die Bauteilfestigkeit wiederherzustellen.