Faserverbundwerkstoff

Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Verbundwerkstoff, ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht: aus den verstärkenden Fasern sowie einer bettenden „Matrix“ (dem Füll- und Klebstoff zwischen den Fasern). Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten erhält der Gesamtwerkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden beteiligten Komponenten alleine.

Allgemeines Im Unterschied zu früheren Verbundwerkstoffen mit sehr dicken „Fasern“, wie zum Beispiel Stahlbeton, wird mit der Einführung extrem dünner Fasern (einige µm Durchmesser) unter anderem der Effekt der spezifischen Festigkeit genutzt. Dieser Zusammenhang wurde in den zwanziger Jahren von A. A. Griffith entdeckt und lautet: Ein Werkstoff in Faserform hat in Faserrichtung eine vielfach größere Festigkeit als dasselbe Material in anderer Form. Je dünner die Faser ist, desto größer ist ihre Festigkeit. Die Ursache hierfür liegt in einer zunehmenden Gleichrichtung der Molekülketten mit abnehmender zur Verfügung stehender Fläche. Zudem werden zum Bruch führende Fehlstellen (weakest link theory – „Jede Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied.“) im Material auf sehr große Abstände verteilt, sodass die Fasern weitgehend frei von Fehlstellen sind, die einen Bruch verursachen können. Da bei gleicher Festigkeit dann Material eingespart werden kann, entsteht ein Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis aus Festigkeit und Gewicht). Außerdem führt ein Fehler im Material nicht zum Versagen des gesamten Bauteils, sondern vorerst nur zum Bruch einer einzelnen Faser im Verbund (keine Rissfortpflanzung).

Bauteile aus Faserverbundwerkstoff sind meist teurer als normale (Metall-)Bauteile.

Endlos- und Langfaser-Material Die Fasern können je nach Beanspruchung ausgerichtet und in ihrer Dichte (Anzahl pro Fläche) angepasst werden (oft bis zu einem „Faservolumenanteil“ von 60 %). Die Faser werden vor allem entsprechend der Lastpfade Ein Lastpfad ist der „Pfad“, den die Kraft bei einem Aufprall nimmt. ausgerichtet. Um die Festigkeit in verschiedene Richtungen zu beeinflussen, werden statt einzelner Fasern Gewebe oder Gelege verwendet, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden.

Vier wesentliche Konsequenzen ergeben sich daraus (nach Andre Stieglitz) für die Auswahl eines Bauteils zur Umsetzung in eine endlosfaserverstärkte Verbundstruktur. Ist eine der folgenden vier Voraussetzungen nicht erfüllt, so ist dessen Einsatz für die ausgewählte Komponente kritisch zu sehen: Es muss relevante Belastungen im Bauteil geben. Die Lastverläufe müssen bekannt oder einschätzbar sein. Es muss Hauptrichtungen der Lasten geben – wird das Bauteil richtungsunabhängig gleichmäßig belastet, so bietet sich die Verwendung eines eher isotropen Werkstoffes an (Metall, Kurzfaser-Verbund, …). Man muss in der Lage sein, die Fasern entsprechend der Lastrichtungen auszurichten.

Kurzfaser-Verbund Im Gegensatz zum Langfaser-Verbund werden die wenige Millimeter langen Fasern eines Kurzfaser-Verbundmaterials üblicherweise nicht gemäß der (Haupt-)Belastungsrichtung auf das Bauteil ausgerichtet, sondern sind wirr angeordnet. Dadurch entsteht eine Fachwerk- oder Gitterstruktur, die ähnlich einem homogenen Werkstoff isotrope Eigenschaften aufweist.

Funktionsweise Die höherwertigen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffes werden erst durch das Zusammenspiel beider Komponenten erreicht. Aus zwei Komponenten ergeben sich somit drei wirkende Phasen im Material: Sehr zugfeste Fasern, eine relativ weiche, sie bettende Matrix und eine beide Komponenten verbindende Grenzschicht.

Bedingungen für die Verstärkungswirkung von Fasern Nicht alle Kombinationen von Faser- und Matrixwerkstoffen führen zu einer Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit des neuen Verbundes. Es müssen drei Bedingungen erfüllt sein, damit in faserparalleler Richtung eine Verstärkungswirkung eintritt:

EFaser, längs > EMatrixDer Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung muss größer sein als der Elastizitätsmodul des Matrixwerkstoffs. εBruch, Matrix > εBruch, FaserDie Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs muss größer sein als die Bruchdehnung der Fasern. RFaser, längs > RMatrixDie Bruchfestigkeit der Fasern muss größer sein als die Bruchfestigkeit des Matrixwerkstoffs. Anschaulich: (1), (3): Die Faser muss höheren Lasten standhalten als die Matrix, ansonsten wäre ein Bauteil rein aus dem Matrixmaterial stabiler.

Ein wichtiges Merkmal hierbei ist die „kritische Faserlänge“. Die Fasern können Kräfte auf andere Fasern und auf die Matrix besser übertragen, je länger sie sind. Zur optimalen Spannung- und Lastübertragung zwischen Faser und Matrix müssen die Fasern die kritische Faserlänge überschreiten.

Senkrecht zur Faser tritt in der Regel keine Steigerung der Festigkeiten auf. Grund ist die Dehnungsvergrößerung.

Aufgaben der Komponenten

Die Matrix hält die Verstärkungsfasern in ihrer Position und überträgt und verteilt Spannungen zwischen ihnen. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit hat sie die Aufgabe, die Fasern vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen zu schützen.

Die Fasern geben dem Faserverbundwerkstoff die notwendige Festigkeit. Neben der Zugfestigkeit kann, falls der Werkstoff auf Druck beansprucht wird, auch die Biegefestigkeit eine Rolle spielen.

Die Grenzschicht dient der Spannungsübertragung zwischen den beiden Komponenten. Sie überträgt ausschließlich Schub und kann sehr abstrakte Formen annehmen, wenn der Schub beispielsweise über reine Reibung erfolgt. In anderen Fällen jedoch, beispielsweise bei Schub über Klebehaftung, ist sie herstellungstechnisch gewollt und physisch vorhanden. Im letzteren Fall werden die Fasern vor dem ersten Kontakt mit der Matrix mit einem Kopplungsmittel beschichtet, welches chemisch mit beiden Komponenten reagieren kann und einen möglichst ununterbrochenen Übergang garantiert.

Ein wichtiger Faktor bei der Bemessung von Faserverbundwerkstoffen ist das Volumenverhältnis (Faservolumenanteil) zwischen Fasern und Matrix. Je höher der Anteil an Fasern ist, desto fester, jedoch auch starrer und spröder wird der Werkstoff. Dies kann zu Problemen führen, wenn gewisse Verformungen überschritten werden.

Prinzip der Kraftübertragung mini|250px|Abb.:1 Veranschaulichung der Spannungsübertragung in Faserverbundwerkstoffen mit Darstellung der mitwirkenden Länge und der Spannungsverteilung in der Faser.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist es im Falle einer konzentriert aufgebrachten Zugkraft unmöglich, diese direkt an den Fasern angreifen zu lassen, da diese immer von einer Matrixschicht überdeckt sind. Die Zugkraft wirkt somit nur auf die Matrix in Form von konzentrierten Spannungen und wird von dieser auf die nächstliegendsten Fasern verteilt. Die Größe dieses „Ausbreitfeldes“ (die mitwirkende Länge einer Faser) hängt vom Spannungsverhältnis zwischen Faser und Matrix ab: Eine weiche Matrix kombiniert mit steifen Fasern ergeben große mitwirkende Längen, eine steife Matrix mit weichen Fasern ergibt kleine mitwirkende Längen. Spannungen müssen jedoch nicht unbedingt in konzentrierter Form aufgebracht werden, eine Variante zur Erzeugung von Zugspannungen ist zum Beispiel ein aufgebrachtes Drehmoment. Das Wirkungsprinzip ändert sich nicht.

mini|links|120px|Abb.:2 Veranschaulichung des Funktionsprinzips druckbeanspruchter, in eine Matrix eingebetteter Fasern.

Im Falle von längs zum Faserverlauf wirkendem Druck, wie er auch bei Biegung auftritt, funktioniert die Matrix wie eine Bettung und die Faser (das Faserbündel) wie ein elastisch gebetteter Balken, siehe auch Abbildung 2. Hier sind wichtige Materialeigenschaften die Matrixsteifigkeit k und die Biegesteifigkeit der Faser E·I (Steifigkeit multipliziert mit dem Flächenträgheitsmoment). Die Berechnung wird nun sehr viel komplexer, da nun außer der schieren Zugfestigkeit der Faser auch deren Durchmesser wegen des Flächenträgheitsmoments eine Rolle spielt. Der Fall Druck wird seit Mitte der 1960er Jahre erforscht und stellt noch heute eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Durch Rechnereinsatz und moderner FEM Programme wird gegenwärtig versucht, die theoretischen Ansätze numerisch zu beweisen und nachzuvollziehen. Die Probleme liegen einerseits in der Tatsache, dass es sich um ein Stabilitätsproblem handelt und somit schon kleinste Veränderungen in der Werkstoffzusammensetzung erhebliche Auswirkungen auf die ertragbaren Kräfte haben können. Zum anderen versagt ein hochentwickelter Mehrphasenwerkstoff in vielfältiger Weise und unterschiedliche Mechanismen wechseln sich während des Versagens ab und bedingen sich teilweise gegenseitig. Druckversagen findet sehr plötzlich, schnell und teilweise ohne Vorwarnung statt. Somit ist er sehr schlecht zu beobachten, was die Analyse erschwert.

Materialien Neben den rein mechanischen Eigenschaften, also der notwendigen berechneten Festigkeit, spielen vor allem Dauerhaftigkeits- und Preisfragen eine große Rolle bei der Wahl der Materialien. Um ein gutes Funktionieren zu gewährleisten, sollten die Steifigkeiten der beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden, so dass sich auftretende Kraftspitzen gut im Material verteilen können. Im Einzelnen werden folgende Materialien eingesetzt:

Fasern 350px|mini|Restfestigkeit von verschiedenen Fasern Glasfasern Glasfasern sind hauptsächlich wegen ihres relativ geringen Preises die am häufigsten verwendeten Fasertypen. Es gibt Glasfasertypen für unterschiedliche Einsatzgebiete. Kohlenstofffasern Siehe dort. Keramikfasern Endlose Keramikfasern aus Aluminiumoxid, Mullit (Mischoxid aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid), SiBCN, SiCN, SiC etc. sind teure Spezialfasern für hochtemperaturbelastbare Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix. Die nicht-oxidischen Fasern werden, ähnlich wie Kohlenstofffasern, aus organischen Harzen gewonnen, in denen neben Kohlenstoff auch Silicium enthalten ist. Aramidfasern Siehe dort. Borfasern Basaltfasern Basaltfaser ist eine Mineralfaser, die wegen ihrer guten chemischen Beständigkeit und Temperaturfestigkeit vorwiegend im Behälter- und Fahrzeugbau verwendet wird. Stahlfasern Stahlfasern werden hauptsächlich im Bauwesen bei Stahlfaserbeton verwendet. Diese Anwendung ist stark im Wachsen und hat besonders wirtschaftliche Vorteile. Naturfasern Die am häufigsten für die Produktion von Faserverbundwerkstoffen eingesetzten Fasern sind die heimischen Holzfasern, Flachs- und Hanffasern sowie subtropische und tropische Fasern wie Jute-, Kenaf-, Ramie- oder Sisalfasern. Nylonfasern Fasern mit einer hohen Bruchdehnung sind von Vorteil, wenn das Bauteil Stöße aufnehmen muss und diese Eigenschaft für die Bemessung maßgebend ist.

Matrix Die Wahl der Matrix teilt die Faserverbundwerkstoffe in zwei Gruppen: Faser-Kunststoff-Verbunde (verstärkter Kunststoff, faserverstärkte Kunststoffe) und Andere.

Faser-Kunststoff-Verbund Als Matrix werden die folgenden Polymere eingesetzt: Duromere (weitere Bezeichnungen: Duroplast, Kunstharze) Elastomere Thermoplaste Während die Kunstharze und Elastomere bis zu ihrer Aushärtung flüssig vorliegen, sind Thermoplaste bis ca. 150 °C (teilweise bis 340 °C) fest. Die duroplastischen Kunstharze sind in der Regel glasspröde und verformen sich nicht plastisch. Faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix sind nachträglich, d. h. nach dem Urformen, warmumformbar. Die Mikro- und Makrotränkung der Fasern ist bei Kunstharzen einfacher als bei festen Thermoplasten. Thermoplaste werden zur Tränkung erhitzt oder in einem Lösungsmittel gelöst.

In den letzten Jahren wurde die Forschung im Bereich der Biopolymere stark intensiviert. Durch den Einsatz von duroplastischen und thermoplastischen Biokunststoffen lassen sich biologisch abbaubare oder dauerhafte Verbundwerkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe herstellen, die oftmals vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie natur- und glasfaserverstärkte erdölbasierte Polymere.

Andere