Ralf Schmidt hat ein so gutes Essay über den Werkstoff Carbon geschrieben:
Materialvor- und Nachteile: Carbon
"... ein bißchen was zu Carbon. Carbon bezieht sich hier nur auf die verwendete Faser, die praktisch die Festigkeit des Endproduktes bestimmt. Verarbeitet wird die Carbonfaser entweder durch Laminieren von Gewebematten oder durch Wickeln von Fasersträngen (Rovings). Um die Fasern in der Position zu halten, ist ein Hilfsmittel notwendig. Im Fahrradbau werden fast ausschließlich Epoxydharze verwendet. Je nach Verarbeitung werden 50% Gewichtsanteile Faser mit 50% Gewichtsanteilen Harz verarbeitet. Das Harz weist praktisch keine Zugfestigkeit auf, wodurch die Endfestigkeit vom C-Gewebe bestimmt wird, nicht aber das Gewicht. Das Aushärten kann entweder frei an der Luft, im Vakuum oder im Autoklaven erfolgen, wobei die chemische Reaktion keine Luft benötigt und keine Lösemittel freisetzt. Die Version im Vakuum hat den Vorteil, daß das mit Harz getränkte Gewebe besser durchtränkt wird und überschüssiges Harz mittels Saugvliesen abgenommen wird. Somit sind Gewichtsverhältnisse von 70%C und 30%Harz möglich.
Die allgemeinen Vorteile:
Die Zugfestigkeit beträgt, je nach Fasertyp, 1000N/mm^2 oder sogar höher. Das entspricht einem sehr guten Stahl. Das Gewicht beträgt dabei nur ein fünftel von Stahl. Problem: Diese Festigkeit ist nur bei Belastung auf Zug in Faserrichtung gegeben. In Querrichtung zur Faser ist die Festigkeit nahezu Null. Daher muß in jede Richtung, in die Kraft in das Material geleitet wird, eine Anzahl Fasern liegen. Oft wird deshalb der 08/15- Ansatz gewählt: 1.te Lage in Längsrichtung (z.b. zum Rohr), 2. Lage 45 Grad versetzt, 3. Lage 90 Grad Versetzt, 4. Lage 135 Grad versetzt und so weiter. Die im 45 Grad/135 Grad Winkel liegenden Fasern nehmen dann die auftretenden Torsionsmomente auf. Kräfte, die in anderen Winkeln auftreten, werden dann auf diese Fasern aufgeteilt und bewirken eine erhöhte Zugspannung. Bessere Verfahren (z.B. in der Luftfahrtindustrie) erstellen Berechnungen zur optimierung der Winkel, die dann auch genau eingehalten werden müssen.
Alles in allem werden aber durch das verwendete Harz und die Notwendigkeit, Fasern für jede Kraftrichtung zu verwenden, die Gewichtsvorteile zum allergrösten Teil wieder wettgemacht. Bei Stahlkonstruktionen, die 1:1 in Carbon nachgebildet werden, ist deshalb kein Vorteil mehr zu erreichen.
Die Vorteile von Carbon werden erst bei einer angepassten Konstruktion wirksam: Durchgängige Fasern (die Zugfestigkeit besteht nur in Faserrichtung: Unterbrochene Fasern bilden einen Schwachstelle, die durch Überdimensionierung ausgeglichen werden muß), großes Volumen (großer Abstand zur Torsions bzw. Biegeachse, da nur Zugkräfte aufgenommen werden können), keine scharfkantigen Übergänge, Knicke, enge Kanten (Unterbrechung der Faserlinien). Metalle haben im Gegensatz dazu homogene Materialeigenschaften mit nahezu gleichen Festigkeiten bei Zug und Druck (alle kombinierten Kräfte wie Biegung und Torsion sind auf Zug- und Druck zurückzuführen). Das bedeutet eine völlige Umkonzipierung der bekannten Bauteile, um die Mateialeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen nutzen zu können. Deshalb sind die heutigen C-Rahmen praktisch genau so schwer wie ein herkömmlicher Rahmen, die Umkonzipierung wurde meist nicht oder nur unzureichend vorgenommen.
Ein weiterer Vorteil von C ist das Arbeitsaufnahmevermögen. Dies bewirkt durch die Kombination der sehr harten Faser mit dem relativ weichen Harz eine sehr hohe Eigendämpfung. Im Schwebebalken der Softride-Räder wird dieser Faktor sehr gut genutzt. In einem Hinterbau sind Schwingungen in Faserquerrichtung nicht möglich, da die Kräfte senkrecht auf die Streben wirken. Somit sind diese Bauteile billiger und besser in Alu oder Stahl herzustellen - es sei denn, man wählt eine andere Konstruktion. z.B. das C-Bike hat einen Hinterbau, der nur aus sehr großvolumig ausgeführten Kettenstreben besteht. Damit kann eine schwingungsfähige Aufnahme des H-Rades erreicht werden.
Die Materialeigenchaften von Carbon lassen sich durch die Kombination mit anderen Fasertypen (z.B. Kevlar) und speziellen Abstandsmaterialien (z.B. Honeycomb) noch verbessern. Diese Materialien erhöhen nochmals den Arbeitsaufwand, die Verarbeitung wird schwieriger und das Pressen im Vakuum oder Autoklaven notwendig.
Die Chance: Alu, Stahl und Titan sind ausgereizt. Verbesserungen sind nur noch hinter dem Komma möglich. Bei Carbon wurde noch keine allzugroße Entwicklungsarbeit geleistet, das Material ist sehr viel schwerer zu dimensionieren und zu verarbeiten als Metalle. Hier stecken noch große Möglichkeiten für die Zukunft.
Verklebung mit anderen Materialien: Hier tritt ein altbekanntes Problem auf: Die Materialien können nicht "stumpf" aufeinandergeklebt werden, die erreichten Festigkeiten wären minimal. Hinzu kommt das Problem, daß sich nicht für alle Materialkombinationen ein Klebstoff finden läßt. Gelöst wird das Problem meist durch eine riesig dimensionierte Muffe, die das C-Rohr und die Kräfte aufnimmt. Diese Muffe wird allerdings ZUSÄTZLICH zum bereits bestehenden Material benötigt, die paar Gramm, die das C-Rohr weniger wiegt als ein Rohr aus dem gleichen Stoff, wird durch die Muffe mehr als kompensiert.
Fazit: Der C-Hinterbau kann (Konstruktionsbedingt) nicht schwingen, ist schwerer und die Klebestelle ist eine potentielle Bruchstelle. Ich muß allerdings einräumen, das ein polierter Titanrahmen mit schwarzem C-Hinterbau schon geil aussieht. So what?"