Kombination von Werkstoffeigenschaften durch Verbundwerkstoffe

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Gliederung

  Seite  

1  Definition und Einführung in die Verbundwerkstoffe  3

2  Die Komponenten der Verbundwerkstoffe  4

2.1  Kunststoffmatrices  4

2.1.1  Verwendete Materialien und deren Eigenschaften  4

2.1.2  Anwendungen und Herstellung der Kunststoffverbundwerkstoffe  6

2.2.3  Chancen und Auswirkungen der Kunststoffverbundwerkstoffe  7

2.2  Metallmatrices (Metal Matrix Composites)  7

2.2.1  Verwendete Materialien und deren Eigenschaften  7

2.2.2  Anwendungen und Herstellung der Metallverbundwerkstoffe  8

2.2.3  Weitere Aussichten der MMC Verwendung:  11

2.3  Keramikmatrices  11

2.3.1  Keramikmaterialien und ihre Eigenschaften  11

3.3.2  Anwendungen und Herstellung der Keramikverbundwerkstoffe  13

3.3.3  Zukünftige Einsatzmöglichkeiten von Keramiken:  14

3  Weitere Aspekte der Verbundwerkstoffe und Entwicklungstendenzen  14

4  Literaturverzeichnis  16

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1 Definition und Einführung in die Verbundwerkstoffe

Um den Themenkomplex der Verbundwerkstoffe besser zu verstehen ist es zunächst notwendig zu definieren was darunter zu verstehen ist. Eine Definition lautet: „Ein Verbundwerkstoff wird aus verschiedenen Stoffen gefügt, und ist entsprechend der Werkstoffdefinition, be- und verarbeitbar. Abzugrenzen davon ist der Werkstoffverbund, der dann vorliegt, wenn mehrere Werkstoffe zu einem Bauteil verbunden wurden.“ 1

Wie aus der Grafik zu ersehen

ist, erscheinen die Übergänge fließend. Eine Unterscheidungsmöglichkeit liegt darin, dass „Werkstoffverbunde Makroskopisch inhomogen und Verbundwerkstoffe makroskopisch quasihomogen“ ² sind. Um die Eigenschaften den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen werden Materialteilchen in Form von Kurz- bzw. Langfasern oder Partikeln in die Matrix eingebracht. Dabei können alle Komponenten organisch oder anorganisch, aus Metall, Kunststoff oder gar Keramik sein und in nahezu beliebiger Kombination verwendet werden. „Häufig werden Langfasern in die Matrices eingebettet deren gute Kraftübertragung die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit verbessern. ³ Für die Spannungsübertragung ist die Haftung zwischen Matrix und Fasern eminent wichtig.“ ⁴ „Partikel dienen seltener der Anpassung dieser Faktoren, sie werden oft als Füllstoffe verwendet um z.B. bessere Verarbeitbarkeit oder eine Änderung der thermischen und elektrischen Eigenschaften zu erreichen.“ 5

¹ Vgl. Gobrecht, Jürgen: „Werkstofftechnik Metalle“, München 2001, S.249

² Siehe Roos, Eberhard / Maile, Karl: “Werkstoffkunde für Ingenieure”, Berlin 2004, S. 305

³ Vgl. Roos, E. / Maile, Karl: “Werkstoffkunde für Ingenieure” S.306

⁴ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, Aachen 1990, S. 71

⁵ Vgl. Roos, E. / Maile, K.: “Werkstoffkunde für Ingenieure” S.307

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Da hier kein umfassender Blick auf die Verbundwerkstoffe vermittelt werden kann, liegt der Fokus dieser Arbeit auf einer Auswahl der Materialien aus denen Matrices üblicherweise bestehen; Kunststoffe, Metalle und Keramiken.

2 Die Komponenten der Verbundwerkstoffe

2.1 Kunststoffmatrices

Die relativ leichte, wirtschaftliche Herstellung sowie die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sorgen für einen sehr hohen Verbreitungsgrad dieser Materialien. Deshalb nimmt diese Gruppe hier eine bevorzugte Stellung in der Industrie ein.

2.1.1 Verwendete Materialien und deren Eigenschaften

„Häufig wird den Duroplasten der Vorzug gegeben. Verwendet werden Phenolharz, Polyesterharze und Epoxidharze.“ ⁶ . Einmal in Form gebracht und ausgehärtet können sie thermisch oder mechanisch nicht mehr umgeformt werden ohne sie zu zerstören. „Duroplaste besitzen eine große Wärmeformbeständigkeit die mit größer werdender Poro-sität einhergeht. Die Folgen sind eine verbesserte Arbeitsaufnahme und Chemikalienbe-ständigkeit, aber auch eine verringerte Bruchdehnung.“ 7

„Dieser notwendige Kompromiss führte zu der Überlegung Thermoplaste als Matrices zu nutzen, die gegenüber den Duroplasten Vorteile wie z.B. hohe Bruchdehnung, gute Medienbeständigkeit und Schweißbarkeit aufweisen.“ ⁸ Ein weiterer großer Vorteil gegenüber den Duroplasten ist die Möglichkeit ihre Form auch nach der Herstellung später noch zu verändern ohne dass sie ihre Eigenschaften verlieren. Trotz der Steigerung ihrer möglichen Einsatztemperaturen sind sie den Duroplasten in dieser Hinsicht allerdings auch weiterhin unterlegen.

Damit wird klar, dass die Auswahl des Materials genau auf den Einsatzbereich abgestimmt sein muss. Diese richtet sich nach den Vorgaben des Entwicklers bezüglich Einsatztemperatur, benötigte Schlagfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, usw.. Nicht zuletzt ist sie auch von den verfügbaren Mitteln abhängig, so dass nicht immer das technisch beste Material verwendet wird, sondern ein Kompromiss geschlossen werden muss. Durch die Einlagerung von Fasern oder Partikeln können die Eigenschaften des gewählten Kunst-stoffes den Gegebenheiten angepasst werden. Diese in den Kunststoff eingebetteten Fasern können aus

⁶ Vgl. Roos, E. / Maile, K.: “Werkstoffkunde für Ingenieure” S.307

⁷ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, S. 65

⁸ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, S. 67,68

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verschiedensten Stoffen wie z.B. Metallen, Keramiken und synthetischen Stoffen bestehen. In Kunststoff-Faserverbunden werden i.d.R. nur anorganische Fasern wie Kohlenstoff- und Glasfasern verwendet. Partikelverstärkungen sind eher selten. Abb. 2 zeigt die Eigen- schaften Fasern im Vergleich. Alle Kohlenstoffasern

(in CFK für Carbon-Faserverstärkter Kunststoff) haben eine hohe Steiffigkeit und Festigkeit aufzuweisen. Allerdings besitzen sie auch eine sehr geringe Bruchdehnung, die das Material stoßempfindlich macht. „Um ein hohes Maß an Steifigkeit zu erlangen wurden HM-Fasern (High Modulus) entwickelt, die aber eine nur geringe Bruchdehnung besitzen. Das andere Extrem bilden, mit wesentlich höherem Arbeitsaufnahmevermögen aber einer geringeren Steifigkeit, die HST-Fasern (High Strain and Tanacity). Einen Kompromiss stellen die IM-Fasern (Intermediate Modulus) dar. Eine bemerkenswert Eigenschaft des Materials ist der negativen Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung.“ ¹⁰ Glasfasern (in GFK für GlasFaserverstärkter Kunststoff) sind extrem widerstandsfähig gegenüber chemischen Einflüssen aller Art. Durch die Einbringung verschiedener Zusatzstoffe bei der Herstellung können deren Eigenschaften gezielt verändert werden. „Hochfeste synthetische Fasern (hier am Beispiel des Aramids) haben ein hohes Energieaufnahmevermögen und eine gute Schlagbeanspruchbarkeit bei geringem Eigen-gewicht. Die Aramidfaser ist flammfest und selbstlöschend. Eingegrenzt wird ihr Einsatz durch eine Empfindlichkeit gegenüber Druck und Feuchtigkeit.“ 11

⁹ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, S. 54

¹⁰ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, S. 57

¹¹ Vgl. Michaeli / Wegener: “Einführung in die Technologie der Verbundwerkstoffe”, S. 58, 59