Auf Biegen und Brechen - Carbon im Materialcheck

Auf Biegen und Brechen – Carbon im Materialcheck

28. Dezember 2017

Carbon dürfte so ziemlich jedem Bergfreund schon mal zu Ohren gekommen sein. Denn das Material steckt in allerlei Sportgeräten und wird auf Grund von besonderen Eigenschaften, wie Leichtigkeit und Steifigkeit (nicht Festigkeit!) in vielerlei Hinsicht von so manchem Gearhead gefeiert.

Wenn sich bei euch schon allein wegen dieser Unterscheidung ein Fragezeichen auftut, solltet ihr unbedingt weiterlesen. Denn wir haben in diesem Artikel das Material Carbon etwas genauer unter die Lupe genommen und wissen jetzt ganz genau Bescheid, was die Eigenschaften, Zusammensetzung oder auch Vor- und Nachteile gegenüber oftmals günstigeren Materialien, wie Aluminium betrifft.

Carbon, was ist das eigentlich?

Auf Biegen und Brechen - Carbon im Materialcheck

Carbon ist leicht und steif, aber nicht fest. Das bedeutet das Material reagiert kaum auf mechanische Impulse, bricht jedoch bei Überlastung mit scharfen Abbruchkanten.

Das bruchfeste und leichte Carbon wird als Material für allerlei Sportgerät immer populärer. Sein Name ist ein Kunstwort aus dem lateinischen Begriff für Holzkohle und bezieht sich auf das chemische Element Kohlenstoff. Im Grunde eine sehr natürliche Sache, denn ohne Kohlenstoff wäre die Erde nicht viel mehr als ein Stein ohne biologische Strukturen – also auch ohne Menschen. Da könnte man Carbon doch eigentlich als Naturmaterial preisen, zumindest wenn man es mal großzügig über eine lange Verwandlungskette hinweg betrachtet. Denn für Carbon wird der Kohlenstoff verwendet, der einst in verrottenden Pflanzen in der Erde eingeschlossen wurde, woraus das heute geförderte Erdöl entstand. Jenes Erdöl, das der Träger vieler Kohlenwasserstoffe ist, die heute als Ausgangsstoffe für die Kunststoffproduktion dienen.

Zugegeben, das war jetzt eine arg gedehnte Deutung und auch nur die halbe Wahrheit. Denn das, was umgangssprachlich als Carbon bezeichnet wird, besteht nur zum Teil aus den hauchdünnen Kohlenstofffasern. Deshalb lautet die korrekte Bezeichnung eigentlich auch: carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK). Das wiederum erklärt immer noch nicht, was Carbon jetzt genau ist. Deshalb heißt es noch genauer: kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.

Woraus besteht Carbon?

Halten wir für den Anfang fest, dass bei dem landläufig als Carbon bezeichneten Gemisch eigentlich nur der Faseranteil aus Carbon/Kohlenstoff besteht und der Rest der Materialfläche beziehungsweise Masse durch andere Chemikalien aufgefüllt wird. Es handelt sich also um einen Verbundwerkstoff. Um es noch ein wenig komplizierter zu machen, werden auch Verbindungen aus CFK und GFK als Carbon gehandelt, wobei GFK für „glasfaserverstärkter Kunststoff“ steht.

Die Kohlenstoffasern/Glasfasern liegen also in ihrem „Bett“ aus einer Kunststoffmatrix. Die Matrix verbindet als Gitterstruktur die Fasern und füllt Zwischenräume aus. Sie wird zumeist aus Epoxidharz gebildet, einem sogenannten Duroplast, das alle möglichen chemischen Elemente enthält, aber keine Kohlenstofffasern. Duroplaste sind vereinfacht gesagt Kunststoffe, die nach dem Aushärten nicht mehr durch Hitze verformbar sind und hohe mechanische Belastungen aushalten.

Carbon, steif aber nicht unbedingt fest

Keine Sorge, wir wollen das hier nicht zu einer Vorlesung in Werkstoffkunde auswalzen – nur eben tief genug durchdringen, um die Eigenschaften von Carbon-Equipment verstehen und mit anderen Materialien wie Aluminium vergleichen zu können. Wichtig zu wissen ist, dass der Materialverbund von der hohen Zugfestigkeit und Steifigkeit der Kohlenstofffasern profitiert. Die Matrix wiederum verhindert, dass sich die Fasern bei Belastung gegeneinander verschieben. Da das Verbundmaterial nur in Faserrichtung wirklich stabil ist, werden die Fasern meist in verschiedenen Richtungen verlegt.

Aufgrund dieser komplexen Verbindungsmuster erreicht Carbon die besondere Steifigkeit, für die es bekannt ist. Steifigkeit ist übrigens nicht mit Festigkeit gleichzusetzen. Sie beschreibt eine hohe Widerstandskraft gegen (elastische) Verformung – das Material schwingt und bewegt sich unter wachsender Belastung nicht, bricht dann aber bei Überlastung unvermittelt auseinander.

Festigkeit bezeichnet hingegen die Bruch-Resistenz gegen mechanische Belastung. Ein Stoff der sehr steif ist, muss also nicht unbedingt fest sein, sondern kann durchaus leicht zu brechen sein. Umgekehrt muss ein sehr fester Stoff nicht unbedingt steif sein, er kann durchaus elastisch nachgeben. Klassische Carbon-Sportgeräte wie Angelruten oder Sportpfeile müssen sehr steif, aber nicht unbedingt sehr fest sein.

Carbon ist nicht gleich Carbon 

Die oben genannten Matrizen bilden Fasermatten (Carbon- oder Glasfaser), die für die Verarbeitung zu einem Carbonrohr in bestimmten Winkeln zueinander verwoben werden. Da es diverse Carbonmischungen und Faseranordnungen gibt, die allesamt verschiedene Zug-, Druck-, Schlag- und Bruchfestigkeiten sowie verschiedene Steifigkeiten und Dämpfungen erzeugen, ist es sehr schwer, sich unabhängig von den Herstellerangaben ein genaues Bild von der Konstruktionsweise und den Eigenschaften des verwendeten Carbons zu machen.

Der komplizierte Aufbau macht Carbon nicht nur „undurchsichtiger“, sondern auch teurer als ähnlich belastbare Metalle. Warum nimmt man dann überhaupt Carbon statt Aluminium, welches vordergründig ja auch alle gewünschten Eigenschaften aufweist? Nun, bei Sportgeräten wie Wanderstöcken, Rennrädern oder Angelruten ist eine enorm hohe Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht gefragt. Und hierin ist hochwertiges Carbon unschlagbar. Moment, hochwertiges Carbon? Gibt es etwa auch Minderwertiges?

Minderwertiges Carbon trifft es wohl nur in seltenen Fällen, doch der Begriff kann in der Regel sehr breit ausgelegt werden. Hochwertiges Carbon hat, anders als häufig angenommen, nicht unbedingt den höchsten Carbonfaseranteil, sondern die beste Mischung in der besten Matrix. Es kann durchaus zu viel des Guten sein, wenn ein Stock mit der Bezeichnung „100% Carbon“ zwar ultraleicht und steif ist, dafür aber aufgrund der höheren Sprödigkeit auch schnell bricht.

Anteile von 80-90% Carbon gelten als idealer Kompromiss, der sowohl gute Steifigkeit als auch Dämpfung und Bruchfestigkeit ermöglicht. 60-70% Carbon bedeutet i.d.R. etwas mehr Gewicht, aber auch nochmals mehr Stabilität und günstigere Preise. Bei weniger als 60% Anteil sehen Fachleute keine Vorteile mehr gegenüber gleich teuren/billigen Aluminiumstöcken.

Allerdings reicht auch die Prozentangabe als Kriterium zur Qualitätsbestimmung allein nicht aus. Die weiteren Faktoren sind nur mit weiterem Informationsbackground und nicht ohne Expertise erkennbar. Aber: man kann sich bei renommierten Herstellern wie Leki oder Komperdell durchaus auf die Verwendung hochwertiger Ausgangsmaterialien bzw. -Kompositionen verlassen. Kauft man nicht gerade ein Billigmodell vom Discounter, kann man bei normaler Bergwander-Beanspruchung in aller Regel mit einer zuverlässigen Performance rechnen. Man muss schon „mit Schmackes“ zwischen Blöcken oder Wurzeln hängen bleiben, um einen Nicht-Discounter-Trekkingstock zum Brechen zu bringen.

Carbon vs. Aluminium

Um es kurz auf den Punkt zu bringen: Aluminium ist eher fest, während Carbon eher steif ist. Das heißt im Klartext:

Aliminium schwingt bei Stoßbelastungen und verbiegt sich mehr oder weniger bei Überbelastung. Carbon reagiert kaum auf mechanische Impulse, bricht jedoch bei Überlastung mit scharfen Abbruchkanten.

Das langsamere Nachgeben von Aluminium ist im Falle eines Sturzes theoretisch weniger gefährlich. Allerdings sprechen wir hier von Situationen, wo das volle Körpergewicht eines durchschnittlich schweren Erwachsenen ruckartig auf den Stock einwirkt. Hier sollte man sich keine unnötigen Befürchtungen heranzüchten, denn sofern die Wander- und Trekkingstöcke nicht gerade aus dem Discounter stammen, sind sie eigentlich nur durch unglückliche Querbelastungen bei unkontrollierten Bewegungen auf losem Untergrund zu brechen.

Etwas Vorsicht ist tatsächlich angeraten, wenn die Stöcke sehr lang ausgefahren sind. Dann kann es besonders bei Aluminium Probleme mit der Stabilität geben. Deshalb und wegen der besseren Stoßabsorption werden vor allem beim Nordic Walking, das bekanntlich auch bei fülligeren Bergfreunden beliebt ist, hochwertige Carbonstöcke empfohlen. Generell gilt für groß gewachsene oder schwerere Personen die Empfehlung stabiler, qualitativ hochwertiger und ruhig auch etwas schwererer Stöcke in besonderem Maße.

Nicht besser oder schlechter, sondern anders

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Das langsamere Nachgeben von Aluminium ist im Falle eines Sturzes theoretisch weniger gefährlich

Bei etwa gleicher Bruchfestigkeit und Stabilität haben die Carbonmodelle gegenüber den Aluminium-Artgenossen einen Leichtigkeitsvorteil von etwa 10% des Gewichts. Ein Vorteil, der sich in einem entsprechend höheren Preisniveau recht genau widerspiegelt. Bei Basismodellen für Einsteiger oder für geringere Beanspruchungen fällt der Preisvorteil deutlicher zugunsten von Aluminium aus. Diese Angaben sind allerdings nur Schätzungen, die sich auf meine nicht repräsentative Stichprobe kreuz und quer durch das Bergfreunde-Angebot stützen. Wie viele Prozentpunkte es auch genau sein mögen – das eingesparte Gewicht bringt weitere Vorteile wie eine bequemere Handhabung und langsamere Ermüdung des Benutzers mit sich.

Nimmt man jetzt noch hinzu, dass Alustöcke auf Feuchtigkeit mit Korrosion reagieren können und deshalb nach Regentouren auseinandergenommen und getrocknet werden sollten, könnte man meinen, das Pendel schlage eindeutig zugunsten von Carbon aus. Doch dem ist nicht unbedingt so, man kann nicht sagen, Carbon sei besser als Aluminium. Für Alpinisten beispielsweise, die häufig auf grobem Block- und Schottergelände unterwegs sind, dürften (gute) Aluminiumstöcke die bessere Wahl sein.

Da sich die Vorteile von Carbon und Alu bei Stöcken auch nicht ausschließen, mischen Hersteller wie Leki oder Black Diamond bei einigen Modellen die Materialien, um die Abstimmung zwischen Eigenschaften wie Schwungverhalten, Steifigkeit und Robustheit zu perfektionieren.

Die Balance aus Vor- und Nachteilen des Carbons variiert natürlich je nach Sportgerät. Als stabilisierende Zwischenlage in der Sohle von Ski- und Skitourenstiefeln oder als Außenmaterial bei Rennradschuhen kommen die Vorteile von (dünnem) Carbon viel deutlicher zum Tragen, während Aluminium hier mit seiner Verformbarkeit offensichtlich weniger geeignet ist.

Kommentare zu diesem Artikel

  1. Mirko sagte am 18. Dezember 2017 um 10:39 Uhr

    „Deshalb heißt es noch genauer: kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. Letzteres legt den logischen Schluss nahe, dass Carbon nichts anderes als Kohlenstoff ist. Nur passt es leider nicht mit der handelsüblichen Abkürzung CFK zusammen.“

    Doch, weil C das chemische Symbol für Kohlenstoff ist ;-)

  2. Jörn sagte am 19. Dezember 2017 um 08:28 Uhr

    Servus Mirko,

    da hast du natürlich vollkommen recht. Mein alter Chemie-Prof würde mir jetzt was erzählen. Sorry, dass uns das durch die Lappen gegangen ist. Ich habe die Passage inzwischen einfach rausgenommen.

    Gruß,

    Jörn

  3. Mirko sagte am 20. Dezember 2017 um 15:40 Uhr

    Kein Problem, ich fand das einen sehr gut recherchierten Artikel zu dem Thema. Ich erzähle das mit dem C für Kohlenstoff nur auch immer den Studenten in der Vorlesung deshalb fiel es mir gleich ein.

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