Verbundwerkstoffe: Einführung, Typen, Eigenschaften und Herstellung

Einführung in Verbundwerkstoffe

In vielen Ingenieuranwendungen werden Materialien mit einer Kombination ungewöhnlicher Eigenschaften benötigt, die ein einzelnes Material nicht bieten kann (z. B. hohe Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit). Daher wurde eine Materialfamilie namens Composites oder Verbundwerkstoffe entwickelt. Diese bestehen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien, die miteinander verbunden werden, um die Gesamtleistung des Materials nach dem Prinzip der kombinierten Wirkung zu verbessern.

Beispiele für Verbundwerkstoffe sind:

• Metalllegierungen (z. B. Perlit)
• Mehrphasenpolymere und Copolymere
• Keramiken (z. B. Mullit, Beton)

Ein natürlicher Verbundwerkstoff ist Holz, bei dem Zellulosefasern in eine Ligninmatrix eingebettet sind.

In diesem Kapitel werden Verbundwerkstoffe als mehrphasige Materialien betrachtet, die künstlich hergestellt werden. Die konstituierenden Phasen müssen chemisch unterschiedlich sein und durch eine Grenzfläche voneinander getrennt sein.

Verbundwerkstoffe bestehen typischerweise aus zwei Phasen:

• Einer Matrix, die kontinuierlich ist und die andere Phase umgibt.
• Einer dispersen Phase.

Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen hängen ab von:

• Den Eigenschaften der Bestandteile.
• Den relativen Anteilen der Phasen.
• Der Geometrie der dispersen Phase (Form, Größe, Verteilung und Orientierung innerhalb der Matrix).

Verbundwerkstoffe werden wie folgt klassifiziert:

• Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe (Partikel: gleichachsige Form).
• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (Faser: hohes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis).
• Strukturverbundwerkstoffe.

Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe

In der Regel sind die Partikel der dispersen Phase härter und widerstandsfähiger als die Matrix. Die Partikel neigen dazu, die Bewegung der Matrix einzuschränken und die Belastungen auf die Partikel zu übertragen.

Eine kohärente Kraft an der Grenzfläche zwischen Matrix und Partikel ist sehr wichtig für die effektive Übertragung von Belastungen.

Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe werden wie folgt unterteilt:

• Verstärkt mit großen Partikeln.
• Dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe.

Bei der Verstärkung mit großen Partikeln bezieht sich „groß“ auf Fälle, in denen die mechanische Wechselwirkung zwischen Matrix und Partikel durch Kontinuumsmechanik beschrieben wird und nicht auf atomarer oder molekularer Ebene.

Beispiele für Materialien, die mit großen Partikeln verstärkt sind, umfassen:

• Polymermaterialien mit Füllstoffen.
• Beton, bestehend aus Portlandzement (Matrix) und Sand oder Kies (Feinstoff).
• Cermets, bei denen Karbide (WC oder TiC) in Metalle wie Nickel und Kobalt eingebettet und als Schneidwerkzeuge verwendet werden.

Bei dieser Art von Verbundwerkstoffen kann der maximale und minimale Elastizitätsmodul (E-Modul) mithilfe der Phasenregelgleichungen vorhergesagt werden:

• Maximum (Voigt-Modell): E_c = E_m · V_m + E_p · V_p
• Minimum (Reuss-Modell): E_c = (E_m · E_p) / (V_p · E_m + V_m · E_p)

Der tatsächliche Wert des E-Moduls liegt zwischen diesen beiden Extremwerten und hängt vom Zusammenhalt zwischen Matrix und disperser Phase ab.

Dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe

Die Dispersionshärtung bei Verbundwerkstoffen ist den Wechselwirkungen in Metallen, die durch Ausscheidungshärtung verursacht werden, ähnlich.

Beispiele hierfür sind Nickellegierungen mit 3 % dispergiertem Thoriumoxid (ThO₂) oder Aluminium mit dispergierten Aluminiumoxidpartikeln.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe finden die größte Anwendung in der Industrie.

Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit (die von den Fasern verliehen wird) in Verbindung mit geringer Dichte aus. Diese beiden Eigenschaften machen solche Materialien ideal für Anwendungen, bei denen gute Festigkeitseigenschaften und ein hoher spezifischer Modul wichtig sind.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe werden nach der Länge der verwendeten Fasern unterteilt. Die Faserlänge ist ein entscheidender Faktor.

Einfluss der Faserlänge

Um eine gute Zugfestigkeit zu gewährleisten, sind folgende Punkte entscheidend:

• Gute Fasereigenschaften.
• Das Ausmaß, in dem die Kraft von der Matrix auf die Faser übertragen wird.

Bei der Wechselwirkung zwischen Matrix und Faser erfolgt die Lastübertragung über die Seitenfläche der Faser, nicht über die Enden (wie in der Abbildung dargestellt).

Wir definieren die kritische Faserlänge, l_c, als:

l_c = (σ_f · d) / (2 · τ_c)

Wo:

• l_c: Kritische Länge
• d: Durchmesser der Faser
• σ_f: Zugfestigkeit der Faser
• τ_c: Grenzflächenscherfestigkeit (Klebkraft Matrix-Faser)

Je nach Faserlänge ergibt sich folgendes Spannungsprofil entlang der Faser:

Fasern mit L > l_c werden als kontinuierliche Fasern bezeichnet.

Fasern mit L < l_c werden als diskontinuierliche oder kurze Fasern bezeichnet.

Faserkonzentration und -orientierung

Die besten Eigenschaften eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs werden erzielt, wenn die Fasern gleichmäßig verteilt sind. Dadurch wird die Belastung gleichmäßig auf alle Fasern verteilt, sodass jede Faser den gleichen Beitrag leistet.

Hinsichtlich der Faserausrichtung lassen sich zwei extreme Situationen unterscheiden:

• Faserausrichtung parallel zur angelegten Spannung.
• Zufällige Ausrichtung der Fasern.

Kontinuierliche Fasern werden in der Regel in Richtung der Hauptbelastung ausgerichtet. Kurze Fasern können ebenfalls ausgerichtet oder zufällig verteilt sein.

Abhängig von der Faserorientierung in Bezug auf die angelegte Spannung variiert die Effizienz der Verstärkung erheblich (wie in der folgenden Tabelle dargestellt).

Faser- und Matrixphasen

Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen lassen sich folgende Fasertypen unterscheiden:

• Whisker: Sehr dünne Einkristalle mit einem hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis. Aufgrund ihrer hohen kristallinen Perfektion bieten sie eine sehr hohe Festigkeit (z. B. Graphit, SiC, Al₂O₃).
• Fasern: Polykristalline oder amorphe Materialien mit kleinem Durchmesser. Sie sind einfacher zu verarbeiten als Whisker und in größeren Längen verfügbar (z. B. Glasfaser, Kohlefaser).
• Drähte: Relativ große Durchmesser, wie Stahl, Molybdän und Wolfram. Sie werden in Autoreifen, Hochdruckschläuchen usw. eingesetzt.

Die Matrixphase erfüllt verschiedene Funktionen:

• Sie bindet die Fasern und überträgt sowie verteilt externe Belastungen (nur ein Bruchteil der angelegten Spannung wird von der Matrix getragen).
• Sie muss duktil sein, um Stöße zu absorbieren.
• Sie hält die Fasern getrennt und schützt sie vor Beschädigungen.
• Sie dient als Barriere, um die Rissausbreitung zu verhindern.

Als Matrixmaterialien werden Metalle (z. B. Aluminium, Kupfer) und Polymere (aufgrund ihrer Eigenschaften und einfachen Verarbeitung) verwendet.

Glas- und Kohlefasern

Glasfaser ist ein Verbundmaterial, das aus kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Glasfasern besteht, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind.

Das für Glasfaserverstärkungen verwendete Glas weist folgende Eigenschaften auf:

• Es lässt sich leicht zu hochfesten Fasern verarbeiten.
• Hohe Verfügbarkeit auf dem Markt.
• Es ist relativ fest.
• Es gibt chemisch inerte Glasfaser-Kunststoff-Verbindungen, die in vielen korrosiven Umgebungen nützlich sind.

Als Matrixkunststoff wird in der Regel Polyester und in geringerem Maße Nylon verwendet.

Nachteile von Glasfaser sind die Temperaturempfindlichkeit (beschränkt auf ca. 200 °C) und die geringere Steifigkeit. Es wird in Karosserien, Rohren, Kunststoffbehältern usw. eingesetzt.

Kohlefaser hat einen wesentlich höheren spezifischen Modul als Glas. Zudem weist sie eine größere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen auf.

Im Gegensatz dazu ist sie teurer und wird oft als Kurzfaser verwendet. Die Luftfahrtindustrie setzt diese Verbundwerkstoffe zur Gewichtsreduzierung ein.

Schließlich gibt es Hybrid-Verbundwerkstoffe, die zwei oder mehr Faserarten in einer einzigen Matrix kombinieren (z. B. Glas- und Kohlefasern, eingebettet in eine Polymermatrix).

Herstellung von Verbundwerkstoffen

Zu den gängigen Herstellungsmethoden für Verbundwerkstoffe gehören:

Prepreg-Verfahren

Bei diesem Verfahren werden die zur Verstärkung verwendeten Fasern vor der Montage im Verbundwerkstoff im Freien mit Harz imprägniert und so vor äußeren Einflüssen geschützt. Diese Vorimprägnierung dient auch als Klebstoff, um die Bindung zwischen Faser und Matrix zu verbessern.

Pultrusion

Ein Verfahren, bei dem die Fasern zunächst mit einem duroplastischen Harz imprägniert und dann durch eine Form gezogen werden, um die gewünschte Matrixform zu erhalten. Anschließend wird das Material durch einen Ofen geführt, um das Harz auszuhärten.

Faserwickelverfahren (Filament Winding)

Eine weitere Methode zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist das Wickeln von Fasern um einen Hohlzylinder (in helikaler, zirkulärer, polarer oder anderer Anordnung). Vor dem Wickeln werden die Fasern durch ein Bad aus flüssigem Harz geführt. Der Verbundwerkstoff wird anschließend in einem Ofen ausgehärtet und vom Kern oder Zylinder entfernt. Dieses Verfahren wird für Motorgehäuse, Rohre, Lagertanks, Druckbehälter usw. eingesetzt.

Strukturverbundwerkstoffe

Strukturverbundwerkstoffe bestehen aus einer Kombination von Verbundwerkstoffen und homogenen Materialien. Ihre Eigenschaften hängen nicht nur von den verwendeten Materialien ab, sondern auch von der Geometrie und dem Design der Strukturelemente.

Strukturverbundwerkstoffe werden weiter unterteilt in:

• Laminare Verbundwerkstoffe.
• Sandwichpaneele.

Laminare Verbundwerkstoffe

Laminare Verbundwerkstoffe bestehen aus Schichten (Laminaten), die eine bevorzugte Richtung hoher Festigkeit aufweisen. Die Schichten werden übereinander gestapelt und miteinander verklebt. Sie sind in der zweidimensionalen Ebene sehr steif, jedoch nicht in senkrechter Richtung.

Sandwichpaneele

Sandwichpaneele bestehen aus zwei starken äußeren Deckschichten, die durch ein weniger dichtes Material mit geringerer Steifigkeit und Festigkeit getrennt sind.

Die äußeren Deckschichten nehmen die Biege- und Zug-/Druckbelastungen in ihrer Ebene auf (z. B. Platten aus Holz, gewalztem Stahl, faserverstärkten Kunststoffen). Der Kern hat die Aufgabe, die senkrecht zur Ebene der Deckschichten wirkenden Scherkräfte und Schubspannungen aufzunehmen (z. B. Schaumpolymere, Kunststoffe, Gummi).

Es gibt auch Kerne mit Wabenstruktur, die weit verbreitet sind.