Faser-Kunststoff-Verbund

Ein Faser-Kunststoff-Verbund (FKV; auch faserverstärkter Kunststoff oder Faserverbundkunststoff, FVK, englisch Fibre-reinforced plastic) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix.Chokri Cherif (Hrsg.): Textile Werkstoffe für den Leichtbau - Techniken - Verfahren - Materialien - Eigenschaften. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4, S. 641. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch adhäsive Wechselwirkungen an die Matrix gebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten (siehe Elastizitätsgesetz).

Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff. Frühe Versuche zur Entwicklung von harzgebundenen Faserverbundwerkstoffen führten Mitte des 19. Jahrhunderts zur Entwicklung von Linoleum. Der heute bekannteste Faserverbundkunststoff ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK).

Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können beispielsweise der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge und vieles mehr variiert werden.

Faser-Kunststoff-Verbunde gehören zur Klasse der faserverstärkten Werkstoffe (Faserverbundwerkstoffe), die wiederum der Klasse der Verbundwerkstoffe angehören.

mini|Verbund aus Glasfasern und Epoxidharz (GFK). Die hellen Fasern haben einen Durchmesser von 1/50 mm und kleiner und machen 60 % Volumenanteil aus. Schnitt, mikroskopiert.

Funktionsprinzip mini|200px|Symbolhafte Darstellung von Verstärkungsfasern einer Kunststoffmatrix.

Ein Faserkunststoffverbund kann als Konstruktion aufgefasst werden. Seine Elemente müssen so kombiniert werden, dass sich die gewünschten Eigenschaften einstellen. Durch das Zusammenspiel der spezifischen Eigenschaften von Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Werkstoff.

Aufgabenteilung Durch die im Vergleich zur Matrix hohe Steifigkeit der Fasern nehmen diese insbesondere Zugkräfte auf. Die einwirkenden Kräfte werden über Adhäsivkräfte an der Faser-Matrix-Grenzfläche in die Fasern geleitet. Quer zur Faser haben Matrix und Verbundwerkstoff oft ähnliche Elastizitätsmoduln, weswegen in dieser Richtung keine Kräfte von den Fasern aufgenommen werden. Siehe auch: Dehnungsvergrößerung.

Die Matrix bettet die Fasern ein, d. h. die Fasern werden räumlich fixiert und eine gleichzeitige Lastein- und Lastausleitung in eine große Anzahl von Fasern wird möglich, ohne die einzelne Faser zu überlasten. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Wirksamkeitskriterien mini|200px|Größeneffekt bei der Faserform. Vergleich der maximalen Fehlergröße und der fehlerfreien Länge. a: Kompakter Werkstoff b: Faserwerkstoff

Nicht jede Faser-Matrix-Kombination ergibt einen sinnvollen Konstruktionswerkstoff. Drei Kriterien müssen erfüllt sein, damit sich Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung im Verbund erhöhen.

Der Elastizitätsmodul der Fasern in Längsrichtung muss höher sein als der der Matrix. Die Bruchdehnung der Matrix muss höher sein als die der Fasern. Die Zugfestigkeit der Fasern in Längsrichtung muss größer sein als die der Matrix.

Wirksamkeit der Faserform mini|300px|Symbolhafte Darstellung der Orientierung der Molekülketten durch Verstreckung in Faserwerkstoffen.

Die Faser ist dem kompakten Werkstoff überlegen. Dies betrifft sowohl die Festigkeit als auch die Elastizitätsmoduln. Die folgenden Effekte machen die Faser der kompakten Form überlegen:

Größeneffekt: In einer Faser ist die maximale Größe einer Fehlstelle begrenzt. Ein kugelförmiger Lufteinschluss kann zum Beispiel keinen Durchmesser größer dem Faserdurchmesser haben. Es treten also keine großen Fehler auf. Zusätzlich tritt ein Effekt ein, der auf der statistischen Verteilung der Fehler beruht. Dadurch wächst die fehlerfreie Länge einer Faser stark an. Es entstehen also bei sehr dünnen Fasern lange Strecken, bevor eine Fehlstelle auftritt. Diese Effekte erhöhen nur die Festigkeit der Faser, nicht deren Steifigkeit.

Orientierung: Bei der Herstellung von Fasern orientieren sich die Kristall- oder Molekülebenen. Geeignete Verfahren sind Spinnen und Verstrecken. Bildlich gesprochen wird aus einem nachgiebigen Wollknäuel ein Strang steifer Wollfäden. Werkstoffe mit langkettigen Molekülen (Polyethylen-Fasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern) eignen sich besonders, um eine hohe Orientierung zu erzeugen. In der Regel geht mit der wachsenden Orientierung eine Anisotropie der Faser einher. Bei Naturfasern wie Haaren, Wolle, Hanf, Sisal usw. entsteht die Orientierung während des Wachstums. Die Orientierung erhöht hauptsächlich die Steifigkeit.

Einige Fasertypen, wie die Glasfaser oder die Basaltfaser weisen innerhalb der Fasern keine Orientierung auf. Diese Fasern sind amorph. Der Vorteil der Faserform liegt also allein in der Nutzung des Größeneffekts mit der Verminderung von Fehlstellen.

Amorphe Fasern, die aus der Schmelze abgezogen werden, haben allerdings einen weiteren Vorteil: An ihrer Oberfläche entstehen beim Abkühlen Druckeigenspannungen. Die Druckeigenspannungen erhöhen die Festigkeit der Faser, indem sie Anrisse der Faser vorbeugen. Siehe auch: ESG-Glas

Mechanische Betrachtungsebenen Faserkunststoffverbunde werden auf unterschiedlichen mechanischen Ebenen betrachtet. Die Betrachtungsebene hängt davon ab, ob globale Größen des Verbunds oder die der einzelnen Verstärkungsfaser von Interesse sind.

Mikromechanik Die Mikromechanik betrachtet die einzelne, in der Matrix gebettete Faser. Es liegt ein zweiphasiges Gemisch vor. Mit Hilfe der Mikromechanik können die Spannungen und Dehnungen in Faser und Matrix berechnet werden. Die Mikromechanik ermöglicht die Berechnung der Elastizitätseigenschaften der Faserkunststoffverbunds aus den Eigenschaften von Faser und Matrix (siehe: klassische Laminattheorie).

Makromechanik In der Makromechanik der Faserkunststoffverbunde wird der Verbund als homogen angesehen. Das heißt, seine Eigenschaften sind vom Ort unabhängig. Seine Eigenschaften sind jedoch weiterhin richtungsabhängig. Mit Hilfe der Makromechanik erhält man globale Spannungs- und Dehnungsgrößen. Sie können als mittlere Größen über der Faser und Matrix aufgefasst werden.

Die Makromechanik wird zur Beschreibung des Verhaltens von Bauteilen verwendet.

Verstärkungsfasern Anorganische Verstärkungsfasern Anorganische Fasern haben eine amorphe Struktur. Ihre Vorteile sind die hohe Temperaturfestigkeit und der meist niedrige Preis. Gerade die Rohstoffe für die Glas- und Basaltfaser sind fast uneingeschränkt verfügbar.

Basaltfasern Borfasern Glasfasern Keramikfasern Kieselsäurefasern Kohlenstofffasern Quarzfasern

Metallische Verstärkungsfasern

Stahl-Fasern

Organische Verstärkungsfasern Organische Fasern haben einen hohen Orientierungsgrad. Ihr Modul längs und quer zur Faser unterscheidet sich deutlich. Durch hohe Temperaturen zersetzen sich organische Fasern oder schmelzen. Diese Temperaturgrenze kann jedoch sehr unterschiedlich sein.

Aramidfasern Kohlenstofffasern PBO-Fasern Polyester-Fasern Nylon-Fasern Polyethylen-Fasern Polymethylmethacrylat-Fasern

Naturfasern

Nachwachsende Verstärkungsfasern haben, bezogen auf andere Verstärkungsfasern, überwiegend eine niedrige Dichte. Da ihre mechanischen Eigenschaften gering sind, werden sie nicht in Strukturbauteilen verwendet. Ihr Hauptanwendungsgebiet haben sie, in Kombination mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen, in Verkleidungsbauteilen und ganz allgemein dort, wo eine gewisse Materialstärke erreicht werden soll (bei leichtem Gewicht), ohne dass es auf die maximale Zugfestigkeit der Fasern ankommt. Als Kurzschnitt werden sie als billiges Streckmittel (Füllmaterial) eingesetzt.

Flachs-Fasern Hanf-Faser Holzfasern Sisalfasern

Benennung von Verstärkungsfaserbündeln In Anlehnung an die Bezeichnung von Garnen werden Bündel aus Verstärkungsfasern, sogenannte Rovings, mit der Garnfeinheit tex benannt. Je größer die Tex-Zahl ist, desto höher ist das Längengewicht der Faserbündel. Ein Roving von 4800 tex wiegt zum Beispiel 4800 g je tausend Meter.

Besonders bei Kohlenstofffasern hat sich die Bezeichnung nach der Anzahl der Einzelfilamenten durchgesetzt. Ein 12k Roving besteht dementsprechend aus 12.000 Einzelfilamenten. Über die Dichte der Faser lässt sich die Tex-Zahl in die Anzahl der Filamente umrechnen.

Einteilung nach der Faserlänge Kurzfasern L = 0,1 bis 1 mm Kurzfasern werden in der Spritzgusstechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder verarbeitet werden. Es existieren thermoplastische Granulate die bereits mit einem bestimmten Faservolumenanteil bzw. Fasermassenanteil mit Kurzfasern versehen wurden.

Langfasern L = 1 bis 50 mm Langfasern können ebenfalls noch in Extrudern verarbeitet werden. Sie finden in großem Umfang beim Faserspritzen. Langfasern werden häufig Duroplasten als Füllstoff zugemischt.

Endlosfasern L > 50 mm Endlosfasern werden als Rovings oder Gewebe in faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.

Faserhalbzeuge Da die einzelnen Faserfilamente schwer zu handhaben sind, fasst man die trockenen Fasern zu Halbzeugen zusammen. Die Herstellverfahren entstammen in weiten Teilen der Textiltechnik wie zum Beispiel das Weben, Flechten oder Sticken.

Gewebe Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, beispielsweise von Rovings. Das Verweben von Fasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Daher werden für mechanisch hochwertige Faser-Kunststoff-Verbunde Gelege verwendet.

Gelege In einem Gelege liegen die Fasern ideal parallel und gestreckt. Es finden ausschließlich Endlosfasern Verwendung. Gelege werden durch eine Papier- oder Fadenheftung zusammengehalten.

Multiaxialgelege Werden die Fasern nicht ausschließlich in der Ebene orientiert, so spricht man von Multiaxialgelegen. Meist werden die zusätzlichen Fasern senkrecht zur Laminatebene orientiert, um das Delaminations- und Impactverhalten zu verbessern.

Gesticke Möchte man einzelne Rovings in der Ebene nicht nur gestreckt aufbringen, sondern auf beliebigen Bahnen, so verwendet man Gesticke. Die Rovings werden dabei auf ein Trägermaterial (z. B. ein Vlies) gestickt und so fixiert. Gesticke werden häufig im Bereich von Lasteinleitungen verwendet, da hier oft eine komplexe Faserorientierung gewünscht ist. Gesticke werden als Vorformlinge für das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) verwendet.

Geflechte Im Flechtverfahren werden aus Rovings hauptsächlich Schläuche geflochten, die der Herstellung von Rohren, Behältern oder allgemein hohlen Bauteilen dienen.

Matten Sollen Bauteile mit quasiisotropen Eigenschaften hergestellt werden bieten sich Fasermatten an. Die Matten bestehen meist aus Kurz- und Langfasern, die locker über ein Bindemittel miteinander verbunden werden. Durch den Einsatz von Kurz- und Langfasern sind die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Matten denen von Geweben unterlegen.