Die Vergangenheit und Gegenwart von Kohlefaser

Die frühe Erforschung von Kohlefaser: Ansätze und Stagnation

Der Ursprung der Kohlefaser lässt sich bis in die 1880er Jahre zurückverfolgen, als sie als Fadenmaterial verwendet wurde. Thomas Edison und Joseph Swan patentierten Kohlefasern aus Bambus bzw. Baumwollfaden. Mit der Verbreitung von Glühlampen mit Wolframfaden wurden Kohlefasern jedoch aufgrund ihrer geringeren Effizienz und kürzeren Lebensdauer verdrängt, was zu einer nahezu jahrzehntelangen Stagnation der Kohlefasertechnologie führte.

Während des Zweiten Weltkriegs begann Union Carbide mit der Forschung an Kohlenstofffasern unter Verwendung von Rayon als Vorläufermaterial und stellte 1958 mittels Hochtemperatur-Graphitisierung ein für Raketenstrahltriebwerke und Hitzeschilder nutzbares Kohlenstofffasergewebe her. Aufgrund fehlender optimierter Dehnungsverfahren waren jedoch die mechanischen Eigenschaften schlecht, was die kommerzielle Anwendung einschränkte.

Die 1960er Jahre: Wettbewerb zwischen mehreren Nationen und technologische Durchbrüche

In den frühen 1960er Jahren begannen Japan, die Vereinigten Staaten und das Vereinigte Königreich nahezu gleichzeitig mit der Forschung an hochfesten, hochmoduligen Kohlenstofffasern. 1960 stellte der amerikanische Wissenschaftler R. Bacon Graphit-Whisker mit einem Druckbogenverfahren her; obwohl dies nicht kommerzialisiert wurde, erregte es Aufmerksamkeit bei der US Air Force. Im selben Jahr startete Japans MITI ein gemeinsames Forschungsprogramm mit Unternehmen wie Toray und Nippon Carbon zur Entwicklung von auf Polyacrylnitril (PAN) basierenden Kohlenstofffasern. Akio Shindo veröffentlichte 1961 Ergebnisse und stellte Proben her, die eine dreimal so hohe Leistung wie auf Rayon basierende Kohlenstofffasern aufwiesen, doch dies fand in der westlichen Wissenschaft wenig Beachtung.

Die britische Royal Aircraft Establishment (RAE) begann 1963 mit der Forschung und beschleunigte die Entwicklung, nachdem sie von den japanischen Errungenschaften erfuhr, entwicklung eines PAN-basierten Kohlenstofffaserverfahrens mit verdoppelter Leistung innerhalb von sechs Monaten. Wichtige Durchbrüche waren das Dehnen des PAN-Vorläufers während der Oxidation, um die molekulare Ausrichtung zu verbessern, die Optimierung der Wärmebehandlungsprozesse sowie die Entwicklung eines elektrolytischen Oxidationsverfahrens zur Verbesserung der Faser-Harz-Haftung. Diese Technologie wurde an drei britische Unternehmen lizenziert: Courtaulds, Morgan Crucible und Rolls-Royce.

Rolls-Royce verwendete Kohlenstofffasern für die Schaufeln des RB211-Triebwerks, doch ein Versagen bei Vogelschlagtests trug zum Konkurs des Unternehmens bei und hatte gravierende Auswirkungen auf die britische Kohlenstofffaserindustrie. Inzwischen führte Japans Toray 1971 die Torayca T300-Kohlenstofffaser ein, die als Grundmaterial für Verbundwerkstoffe der ersten Generation diente und durch Technologieaustauschvereinbarungen den Weltmarkt betrat.

1970–1989: Anwendungsweite Ausdehnung und Kostensenkung

Ab den 1970er Jahren dehnten sich die Anwendungen von Kohlefaser schrittweise vom Luft- und Raumfahrtbereich auf Sportartikel und industrielle Bereiche aus. Mit fortschreitenden Verfahren sank die Produktionskosten von 200 £ pro kg im Jahr 1970 auf 20–80 £ pro kg im Jahr 1980. Japanische Unternehmen erlangten durch technologische Optimierung und Kapazitätserweiterung die Marktdominanz. Firmen wie Toray und Toho Rayon setzten Kohlefaser erfolgreich in Konsummärkten wie Golfschlägern und Angelruten durch.

In den 1980er Jahren wurde Kohlefaser in Sekundärstrukturen von Flugzeugen wie der Boeing 757/767 eingesetzt. Eine Anforderung des US-Verteidigungsministeriums aus dem Jahr 1987, die eine 50-prozentige heimische Produktion von Kohlefaser und Vorprodukten vorschrieb, löste eine Welle heimischer Investitionen aus, führte jedoch später zu Überkapazitäten. Japanische Unternehmen vertieften ihre globale Präsenz durch Joint Ventures und die Errichtung von Fabriken und entfielen gegen Ende der 1980er Jahre nahezu zur Hälfte auf die weltweite Kohlefasermenge.

Die 1990er Jahre: Herausforderungen und Umbrüche nach dem Kalten Krieg

Das Ende des Kalten Krieges führte zu einem starken Rückgang der Rüstungsaufträge, wodurch die Nachfrage nach Kohlenstofffasern in den USA zwischen 1990 und 1991 um etwa 60 % sank. Viele Hersteller waren gezwungen, die Produktion einzustellen oder den Markt zu verlassen. Im Gegensatz dazu bauten japanische Unternehmen entgegen dem Trend ihre Kapazitäten aus und stärkten ihre globale Position, indem sie Produktionsstätten in Europa und Amerika übernahmen. 1993 startete die Clinton-Regierung das Technology Reinvestment Project (TRP), das die Anwendung von Verbundwerkstoffen in der zivilen Infrastruktur und der Luftfahrt unterstützte und so der schrittweisen Erholung der US-Industrie half.

Gleichzeitig nahm die Verwendung von Kohlenstofffasern in industriellen Bereichen wie Windturbinenblättern und Automobilkomponenten zu, während neue Technologien wie thermoplastische Verbundstoffe und auf Pech basierende Kohlenstofffasern der Branche neuen Auftrieb verliehen.

1990–1995: Turbulente Umstellung und Neugestaltung des Marktumfelds

Der weltweite jährliche Umsatz mit Carbonfasern lag in diesem Zeitraum bei etwa 8.000 Tonnen, doch die regionale Nachfragestruktur unterschied sich erheblich: Der US-Markt wurde von der Luft- und Raumfahrt dominiert, während Asien von Sportartikeln angeführt wurde. US-amerikanische Kürzungen im Verteidigungshaushalt führten zu schwerer Überkapazität; bis 1991 war die Hälfte der nationalen Kapazität ungenutzt, und Unternehmen wie Courtaulds und BASF zogen sich vom Markt zurück.

Japanische Unternehmen setzten ihre Expansion fort, wobei Firmen wie Toray und Mitsubishi Rayon durch Fusionen und Übernahmen in die europäischen und amerikanischen Märkte eindrangen. Bis 1995 kontrollierte Japan 62 % der globalen Carbonfaser-Kapazität und erlangte so einen klaren Vorteil.

Erholung und neue Perspektiven

Nach 1995 erholte sich die globale Carbonfaserindustrie allmählich, bedingt durch die steigende Nachfrage nach Leichtbaumaterialien in der zivilen Luftfahrt sowie das anhaltende Wachstum der Märkte für Windenergie und Sportartikel. US-amerikanische Unternehmen kehrten dank des TRP-Projekts, das technische Kosten senkte, wieder auf einen Wachstumskurs zurück; Europa wurde nach dem Rückzug lokaler Akteure stärker auf ausländische Investitionen angewiesen. In Zukunft wird erwartet, dass Carbonfasern aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach Leichtbaumaterialien in aufstrebenden Bereichen wie Elektrofahrzeugen (EV) und erneuerbaren Energien breitere Anwendungsmöglichkeiten finden.

Fazit

Der Weg der Kohlenstofffaser von einem Laboratoriumsmaterial zu einem Schlüsselrohstoff in mehreren Bereichen war geprägt von technologischen Durchbrüchen, Marktschwankungen und internationalem Wettbewerb. Japan etablierte eine führende Position durch kontinuierliche technologische Investitionen und Marktexpansion, die USA gewannen mit politischer Unterstützung allmählich ihre Wettbewerbsfähigkeit zurück, und Europa stand vor strukturellen Anpassungen. In Zukunft wird Kohlenstofffaser, da die Kosten sinken und neue Anwendungsszenarien entstehen, eine wichtigere Rolle in den Bereichen grüne Energie, Verkehr und anderen spielen.

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