Was ist ein Verbundwerkstoff?

Hochentwickelte Verbundwerkstoffe bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten und Vorteilen bei der Entwicklung und Herstellung von Produkten in allen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Schiffbau, Unterhaltungselektronik, medizinische Geräte, Industrieanlagen und vieles mehr. Werfen wir einen Blick darauf, was Verbundwerkstoffe im Allgemeinen sind, ihre Geschichte, woraus sie bestehen, wie sie hergestellt werden, die verschiedenen Arten und ihre Vorteile sowie Beispiele für Anwendungsfälle.

Ein Verbundwerkstoff ist buchstäblich jedes Material, das aus zwei oder mehr Materialien besteht. Dazu gehören z. B. Beton, Sperrholz und sogar 6.000 Jahre alte ägyptische Lehmstrohziegel.

Diese Diskussion konzentriert sich auf fortschrittliche Verbundwerkstoffe, die in der Regel aus einer starken Faserverstärkung bestehen, die in Harz eingebettet ist. Sie werden in der Produktentwicklung eingesetzt, weil sie im Vergleich zu Standardmaterialien wie Stahl, Aluminium und Titan ein besseres Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zu ihrem Gewicht aufweisen. Sie können auch in maßgeschneiderten Formen für ihre Anwendungen hergestellt werden.

Moderne Verbundwerkstoffe, wie wir sie kennen, sind das Ergebnis der Entwicklung von Kunstharzmaterialien und Faserverstärkungen. Zu den synthetischen Kunststoffen, die erstmals in der Neuzeit entwickelt wurden, gehören:

• Polystyrol im Jahr 1839
• Polyesterharze im Jahr 1847
• Polyvinylchlorid (Vinyl) im Jahr 1872
• Phenolharze im Jahr 1907

Chemieunternehmen, Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten und verfeinerten jahrzehntelang die Verfahren zur Synthese dieser und anderer Harze. Diese Arbeit wird bis zum heutigen Tag fortgesetzt.

Die im vergangenen Jahrhundert entwickelten Faserverstärkungsmaterialien führten zur Verwendung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe im Bootsbau, in der Verteidigung, in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, bei Konsumgütern, in der Medizin und in anderen Branchen. Zu diesen Materialien gehören:

• Glasfaser im Jahr 1932
• Kommerzielle Kohlendioxid-Fasern mit hohem Modul im Jahr 1964
• Kevlar wurde 1971 der Öffentlichkeit vorgestellt
• Nextel 312 Keramikgewebe von 3M im Jahr 1974

Während des Zweiten Weltkriegs wurden fortschrittliche Verbundwerkstoffe verstärkt eingesetzt, um Flugzeuge leichter zu machen und Radargeräte unterzubringen. Nach dem Krieg wurden Verbundwerkstoffe in Autos, Booten und sogar Surfbrettern eingesetzt. Seit den 1970er Jahren haben neue Materialien und Methoden die Verwendung von Verbundwerkstoffen auf der ganzen Welt erweitert.

Moderne Verbundwerkstoffe bestehen in der Regel aus einer Faserverstärkung und einem Harz (auch als Matrix bezeichnet). Einige Verbundwerkstoffkonstruktionen enthalten auch einen dicken Kern mit geringer Dichte.

Lassen Sie uns darüber im Detail sprechen.

Zu den üblichen Faserverstärkungen gehören Materialien wie Glas, Kevlar, Kohlendioxid, Quarz und Bor.

Zu den gebräuchlichsten Glasfasern gehören E-Glas, das aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften auch als „elektrisches Glas“ bezeichnet wird, und S-Glas, hochfeste und steife Fasern mit hohem Siliziumdioxidanteil. S-Glas kann in anspruchsvollen Umgebungen wie Flugzeugen verwendet werden. Zu den Kohlendioxid-Fasern gehören Fasern auf PAN- (Polyacrylnitril) und Pech-Basis.

Kevlar ist der Öffentlichkeit vor allem durch seine Verwendung in kugelsicheren Westen und Schutzwesten bekannt, wird aber auch als Antihaftmittel in Kochgeschirr eingesetzt. Aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegen Hitze, Strahlung und Chemikalien wird Nomex in Feuerwehrausrüstung, Fluganzügen und Uniformen für die Besatzung von Kampffahrzeugen verwendet.

Die Fasern können zu unidirektionalen oder multiaxialen Geweben gewebt oder genäht werden oder als Teil eines geschnittenen Strangs oder einer Endlosfaser-Matte verwendet werden. 

Harze sind Polymere, sehr große Moleküle, die aus langen, sich wiederholenden Verzweigungen von einfacheren chemischen Einheiten, den Monomeren, bestehen. Harze können organisch oder synthetisch sein. Es wird mit einigen Fasern in eine Form gegeben. Während des Aushärtungsprozesses verwandelt es sich von flüssig in fest.

Die Harzmatrix hält die Faserverstärkungen und überträgt die strukturellen Lasten von einer Faser zur nächsten. Zu den gängigen Materialien gehören Epoxid, Polycyanat, Polyester und Vinylester.

Zusätzliches Kernmaterial zwischen den Faser- und Harzschichten erhöht die Steifigkeit und Festigkeit bei Biegung und erhöht die Knickfestigkeit um ein Vielfaches im Vergleich zu einer Verbundkonstruktion ohne Kern. Allerdings erhöht sich das Gewicht in der Regel nur um ein paar Prozent.

Um das zusätzliche Gewicht gering zu halten, aber die Steifigkeit zu erhöhen, kann der Kern aus einer Wabenstruktur bestehen. Dabei handelt es sich häufig um sechseckige Zellen, die durch ein Expansionsverfahren von gewalzten Blechen, ein Wellenverfahren oder ein Formverfahren hergestellt werden. Wabenkerne werden in der Regel aus Nomex oder Aluminium hergestellt. Es gibt jedoch auch Schaumstoffkerne wie PVC (Polyvinylchlorid) und SAN (Styrolacrylnitril).

Die Herstellung von Verbundwerkstoffprodukten ist gleichzeitig eine Wissenschaft, eine Fähigkeit und eine Kunst. Die meisten Verbundwerkstoffe werden entweder mit einer offenen oder einer geschlossenen Form hergestellt.

Um ein allgemeines Verständnis für die Herstellung von Verbundwerkstoffprodukten zu bekommen, werfen wir einen Blick auf ein Verfahren für das Resin Transfer Molding und das Vacuum Assisted Resin Transfer Molding.

1. Mischen Sie die Harze. Es ist wichtig, das Harz gründlich zu mischen, um Luftblasen zu vermeiden.
2. Bereiten Sie die Faserverstärkungen von der Rolle für das Auftragen des Harzes vor. Dazu können Sie die Fasern zuschneiden, in die Form legen und schmale Streifen an den Stellen anbringen, an denen sich die Teile treffen oder überschneiden.
3. Legen Sie die Verstärkungsfasern als trockenen Stapel in die Form. Spannen Sie dann eine zweite Form über die erste.
4. Spritzen Sie das Harz unter Druck in den Formhohlraum.
5. Wenn ein Vakuum angelegt wird, um das Harz in die Form zu ziehen, wird das Verfahren als vakuumunterstütztes Harzinjektionsverfahren bezeichnet.
6. Härten Sie das Teil in der Form bei Raumtemperatur, im Autoklaven oder im Ofen aus.
7. Schneiden und Zuschneiden auf die endgültige Form.

Andere Formgebungsmethoden sind:

• Spritzgießen
• Formpressen
• Wickeln von Filamenten
• Pultrusion
• 3D-Druck
• Manuelle Verfahren wie Spray Lay-up, Wet Lay-up und Wet Lay-up mit Vakuumverpackung.

Verbundwerkstoffteile können auch aus „Prepreg“ hergestellt werden, einem Gewebe aus Faserverstärkungen, das mit einer teilweise ausgehärteten Harzmatrix und einem Aushärtemittel vorimprägniert wird. Das Prepreg kann direkt in die Form gelegt werden. Um den Aushärtungsprozess abzuschließen, sind Wärme und Druck erforderlich.

Es gibt viele verschiedene Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffteilen. Jedes Jahr werden neue Techniken und Verfahren entwickelt.

In Anbetracht der großen Vielfalt an Materialien, die als Faserverstärkungen und Harze verwendet werden können, gibt es zahlreiche Klassen von Verbundwerkstoffen. Lassen Sie uns ein paar davon näher betrachten.

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe haben ein Metall wie Aluminium, Magnesium oder Titan als Harz (Matrix). Die Faserverstärkung kann aus einem Metall oder einer Keramik bestehen, z. B. Stahl, Kohlendioxid, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid. Die Faserverstärkung kann kontinuierlich, diskontinuierlich oder partikelförmig sein. Diese Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Zug- und Druckfestigkeit, hohe Kriechfestigkeit und geringere Ausdehnung bei hohen Temperaturen aus. Sie finden sich in Getrieben, Getriebekästen, Fahrzeugkarosserien und sogar in Sportgeräten.

Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe haben, wie der Name schon sagt, Keramik sowohl als Faserverstärkung als auch als Harzmatrix. Keramik ist ein festes anorganisches nichtmetallisches Material, das sich im Allgemeinen durch seine Härte und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Die Fasern und das Harz können aus Kohlendioxid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder anderen Materialien bestehen. Aufgrund ihrer Hitze- und Korrosionsbeständigkeit finden sie zahlreiche Anwendungen in Motoren, Turbinen, Automobilen (Bremsen) sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Obwohl Glasfaser ein Bestandteil von GFK ist, wird der Begriff Glasfaser häufig als Bezeichnung für den Verbundwerkstoff verwendet. Eine der ersten nicht-militärischen Verwendungen von Verbundwerkstoffen war ein Bootsrumpf aus Glasfaser im Jahr 1942. Aufgrund seiner geringen Kosten wird es auch in Lagertanks, Rohrleitungssystemen und verschiedenen Anwendungen im Haushalt eingesetzt.

Diese Verbundwerkstoffe sind wahrscheinlich am ehesten an ihrem ausgeprägten schwarz schraffierten Muster zu erkennen. Die Kohlendioxid-Fasern sind in Polymer- oder Kunststoffmatrizen eingebettet, wie sie im obigen Abschnitt über Kunststoffe aufgeführt sind. Da sie in eine Vielzahl von Formen gegossen werden können, sind sie in vielen Branchen und Anwendungen zu finden, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Bauwesen, in der Unterhaltungselektronik, bei Sportartikeln, medizinischen Geräten und Implantaten und vielem mehr.

Verbundwerkstoffe sind in Produkten aller Art zu finden, da sie in Größe, Form und Festigkeit auf die jeweilige Verwendung abgestimmt werden können.

Verbundwerkstoffe können zu Formen ausgehärtet werden, die weniger kostspielig in der Bearbeitung sind und weniger Abfall verursachen als die gleichen Teile, die mit traditionellen subtraktiven Fertigungsmethoden (z. B. Fräsen, Drehen, Gießen und Spritzgießen) hergestellt werden.

Verbundwerkstoffteile können für die erforderlichen Belastungen ausgelegt werden, denen sie ausgesetzt sind. Der Einbau von Waben, die dreimal so dick sind wie die Faser-Harz-Dicke, kann die Steifigkeit um das 30-40-fache und die Festigkeit um das Neunfache gegenüber der gleichen Struktur ohne Waben erhöhen. Und das bei einer Gewichtszunahme von ein paar Prozent. Dies ist ein Grund dafür, dass Verbundwerkstoffstrukturen ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen können als ähnliche Teile aus herkömmlichen Metallen wie Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze, Eisen oder Titan.

Verbundwerkstofffasern können in Form von Endlossträngen, gewebten Rollen, geschnittenen Fasern und Partikeln vorliegen. Harze werden in flüssiger Form zu Verbundwerkstoffen verarbeitet, die dann zu einer festen Form aushärten. Daher können Verbundwerkstoffe in jede beliebige Form gebracht werden, die durch die Form konstruiert werden kann. Verbundwerkstoffe können auch in 3D gedruckt werden (wie bei der additiven Fertigung).

Je nach Auswahl der Materialien für die Fasern und das Harz sowie der Beschichtungen, die während des Herstellungsprozesses aufgebracht werden, können Verbundwerkstoffe resistent gegen chemische Einwirkungen, Korrosion und das Eindringen von Feuchtigkeit sein.

Je nach Fasern, Harz, Beschichtungen und Herstellungsverfahren können Verbundwerkstoffe so entwickelt werden, dass sie den Bedingungen ihrer Einsatzumgebung standhalten. Dazu gehören Temperaturbeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Verbundwerkstoffe sind oft wartungsärmer als ähnliche Teile aus Metall, Kunststoff oder Beton.

Verbundwerkstoffe wie CMC und GFK können aus Materialien hergestellt werden, die elektrische Isolatoren sind und daher keine elektrische Ladung tragen können. Andere Verbundwerkstoffe werden aus Materialien mit niedrigem Wärmeleitkoeffizienten hergestellt, was sie zu hervorragenden Wärmeisolatoren macht.

Seit den 1940er Jahren werden fortschrittliche Verbundwerkstoffe in praktisch jeder Branche eingesetzt. Werfen wir einen Blick auf einige davon.

Jedes Luft- und Raumfahrtunternehmen bemüht sich um eine Gewichtsreduzierung. Eine geringere Masse wirkt sich direkt auf die Leistung und die Fähigkeiten eines Fahrzeugs aus. Raketenhersteller verfolgen die Kosten pro Pfund oder Gramm. Jede Gewichtseinsparung führt zu einer Verbesserung des Produkts. Verbundwerkstoffe sind in allen Bereichen von Flugzeugen, Trägerraketen und Satelliten zu finden, darunter Rümpfe, Flugflächen, Strukturrahmen, Triebwerke, Turbinen, Fahrwerke und Avionik. Der Boeing 787 Dreamliner ist das erste Verkehrsflugzeug, dessen Zelle hauptsächlich aus Verbundwerkstoffen besteht.

Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass die Autobahnen und Brücken, über die Sie mit Ihrem Auto fahren, aus Verbundwerkstoffen wie Asphaltbeton, Verbundpflaster und Glasfaserstahl bestehen. Obwohl sie teurer sind als Beton, werden Verbundwerkstoffe wegen ihrer Gewichtsersparnis, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auch im Bauwesen verwendet. Sie werden auch in öffentlichen Versorgungseinrichtungen wie Strom- und Wasserversorgungsnetzen eingesetzt.

Verbundwerkstoffe können in Bezug auf Hitzebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder Isolierung und Aussehen entwickelt werden. Dadurch eignen sie sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Leiterplatten, Motoren, Schalter, Leistungsschalter, Transformatoren, Gehäuse, Abschirmungen, Antennen und Beleuchtungskomponenten.

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