Verbundwerkstoffe: Eine Einführung in Materialien und Typen

Verbundwerkstoffe: Eine Einführung

Verbundwerkstoffe entstehen, wenn zwei oder mehr Materialien kombiniert werden, um eine Kombination von Eigenschaften zu erzielen, die in den einzelnen Ausgangsmaterialien nicht vorhanden ist. Diese Materialien können so ausgewählt werden, dass sie ungewöhnliche Kombinationen von Steifigkeit, Festigkeit, geringem Gewicht, Leistung bei hohen Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit, Härte oder Leitfähigkeit bieten.

Sie können aus verschiedenen Materialkombinationen bestehen, darunter:

• Metall-Metall
• Metall-Keramik
• Metall-Polymer
• Keramik-Keramik
• Polymer-Polymer

Verbundwerkstoffe können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:

• Partikelverbundwerkstoffe
• Faserverbundwerkstoffe
• Laminarverbundwerkstoffe

Partikelverbundwerkstoffe

Bei Partikelverbundwerkstoffen sind die Partikel eines harten und spröden Materials diskret und gleichmäßig in einer weicheren und duktileren Matrix dispergiert. Sie können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden:

1. Dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe
2. Grobpartikuläre Verbundwerkstoffe

Dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe

Die Partikelgröße in dispersionsgehärteten Verbundwerkstoffen ist sehr klein, mit einem Durchmesser von 100 bis 2500 Mikron. Da die Partikel die Bewegung von Versetzungen behindern, wird ein ausgeprägter Härtungseffekt erzielt. Es sind nur geringe Mengen des dispergierten Materials erforderlich.

Bei normalen Temperaturen sind dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe stärker als Metalllegierungen. Die Festigkeit des Verbundwerkstoffs nimmt mit steigender Temperatur allmählich ab. Im Gegensatz dazu ist ihre Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen höher als die von Metallen und Legierungen.

Grobpartikuläre Verbundwerkstoffe

Diese Verbundwerkstoffe enthalten große Mengen an groben Partikeln, die ein Verrutschen der Matrix wirksam verhindern. Die Partikel in diesen Verbundwerkstoffen können aus vielen Kombinationen von Metallen, Keramiken und Polymeren bestehen und sind darauf ausgelegt, ungewöhnliche Eigenschaftskombinationen und eine verbesserte Festigkeit zu erzielen.

Faserverbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe verbessern die Zugfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Steifigkeit und das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis durch die Einführung von starken, steifen und spröden Fasern in eine weichere und duktilere Matrix. Das Matrixmaterial überträgt die Last auf die Fasern und bietet Duktilität und Zähigkeit, während die Fasern den Großteil der angewandten Kraft tragen.

Im Gegensatz zu dispersionsgehärteten Verbundwerkstoffen erhöht sich die Festigkeit dieser Verbundwerkstoffe sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen. Es wird eine Vielzahl von faserverstärkten Materialien eingesetzt.