Natürliche Vorbilder moderner Faserverbundwerkstoffe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Aufbau von Faserverbundwerkstoffen

3 Vorkommen natürlicher Faserverbundwerkstoffe

4 Funktionsweise von Faserverbundwerkstoffen
4.1 Bedingungen für die Verstärkungswirkung von Fasern
4.2 Kraftübertragung

5 Dauerpräparat am natürlichen Faserverbundwerkstoff Holz

6 Schluss

7 Literaturverzeichnis
7.1 Buchquellen
7.2 Internetquellen

1 Einleitung

Jeder Mensch, der ein Auto besitzt, würde wahrscheinlich gerne seinen Kraft­stoffverbrauch minimieren, ohne dabei Einschränkungen im Bezug auf Si­cherheit eingehen zu müssen. Wie auch in vielen anderen Bereichen sind damit die Werkstoffe der Automobilindustrie immer höheren Anforderungen ausgesetzt: Sie sollen in diesem Fall leicht und gleichzeitig stabil sein, sich bei einem Crash, um die kinetische Energie abzubauen, verformen lassen und dennoch nicht splittern. Genau diese Eigenschaft der Leichtbauweise, näm­lich hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht^[1] wird heutzutage in vielen Bereichen der Technik immer mehr gefordert.

Konventionelle Massivwerkstoffe wie Aluminium oder Stahl erfüllen heu­te oft nicht mehr die Bedingungen Industrie. Um Lösungen zu genau diesem Problem zu finden, wurden die sogenannten Faserverbundwerkstoffe entwi­ckelt, mit denen sich diese Seminararbeit beschäftigt. Es gibt bereits eine Vielzahl dieser Materialien mit den unterschiedlichsten Anwendungsberei­chen. Ihr geringes Gewicht ist beispielsweise in Luft- und Raumfahrt wich­tig, während ihre Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit vor allem bei Langzeitanwendungen in den Vordergrund rücken.

Die Idee der Faserverbundwerkstoffe ist aber schon wesentlich älter, als ihre künstlichen Vertreter vermuten lassen. Viele von ihnen wurden nicht einfach ohne eine Vorlage entwickelt. Warum auch, wenn es in der Natur diverse Vorbilder gibt?

"Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindun­gen machen [...], doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer und geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts, und nichts ist zu viel."

Das sagte schon Leonardo da Vinci, einer der berühmtesten Universi­tätsgelehrten aller Zeiten, und daran hat sich bis heute nichts geändert. Die Wissenschaft, die sich genau mit diesem Thema beschäftigt, nennt man Bionik. Grundlegende Prinzipien der Bionik werden in dieser Arbeit zwar nicht behandelt, der bionische Aspekt von Faserverbundwerkstoffen und de­ren Nachahmung am natürlichen Vorbild sind aber Teile des Inhalts.

In den verschiedenen Kapiteln soll zuerst der Begriff Faserverbundwerk­stoff definiert und sein typischer Aufbau erklärt werden. Nachdem der Leser anhand von Beispielen über die weite Verbreitung biologischer Komposit- werkstoffe in der Natur informiert wurde, widmet sich die Seminararbeit de­ren genauer Funktionsweise anhand von grundlegenden Regeln und Formeln. Im letzten Kapitel befindet sich das gefärbte Dauerpräparat eines natürli­chen Faserverbundwerkstoffs, um Gemeinsamkeiten mit seinen künstlichen Kopien aufzuzeigen.

Grundlegende Prinzipien der Bionik werden in der Arbeit nicht behan­delt. Auch die Herstellung künstlicher Kompositwerkstoffe oder deren Ver­halten bei einer Belastung in mehrere Raumebenen hätten den Umfang ge­sprengt und sind daher nicht enthalten.

Der Schluss der Arbeit zeigt noch einmal das enorme Potential von Fa­serverbundwerkstoffen auf. Er befasst sich mit momentanen Problemen, dem derzeitigen Forschungsstand und gibt einen Ausblick auf deren mögliche Be­deutung in der Zukunft.

2 Aufbau von Faserverbundwerkstoffen

Ein Verbund- oder Kompositwerkstoff (lat. compositio, ,Zusammenstellung‘, ,Anordnung‘) ist im Allgemeinen ein Material, das sich aus zwei oder mehre­ren Komponenten mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zusammen­setzt. Die hochwertigen mechanischen Eigenschaften des Verbundes werden erst durch das richtige Zusammenspiel beider Substanzen erreicht.

Wie der Name Faserverbundwerkstoff bereits erahnen lässt, befinden sich in dieser Unterkategorie der Verbundwerkstoffe sogenannte Fasern. Eine Fa­ser ist ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes und flexibles Gebilde, das aus einem Faserstoff besteht.^[2] Da die Länge einer Faser in den meisten An­wendungen ihren Durchmesser um ein vielfaches übersteigt, ist sie aufgrund ihres geringen Volumens leichtgewichtig. Außerdem besitzen Fasern eine Ani­sotropie, das heißt ihre Materialeigenschaften in die verschiedenen Raume­benen sind unterschiedlich gut. Eine Faser hat ihre besten mechanischen Eigenschaften in Längsrichtung und ist darum trotz geringer Stärke extrem zugfest.

In der Natur durchziehen aus diesem Grund z.B. Knochen- oder Cellulo­sefasern viele Materialien, um sie in Längsrichtung zu verstärken. Die Fasern, die aus natürlichen Quellen stammen und sich ohne Umformung direkt ein­setzen lassen würden, nennt man Naturfasern. Ihre künstlichen Nachahmun­gen bestehen aus zugfesten Materialien wie Nylon, Glas oder Kohlenstoff und werden ebenfalls extrem dünn ausgerollt. Eine typische Kohlenstofffaser hat beispielsweise einen Durchmesser von sieben Mikrometern und eine Länge von mehreren Metern.^[3] Fasern zeichnen sich zwar durch eine hohe Zugfestig­keit aus, halten aber auf Biegung oder Druck kaum Belastungen stand. Sie haben eine bemerkenswerte Verstärkungswirkung in Längsrichtung, können allerdings keine Strukturen in Form halten.

Genau das ist die Aufgabe der Matrix, dem zweiten Bestandteil eines Fa­serverbundwerkstoffes, der ca. 40-85% seines Volumens ausmacht.^[4] Sie dient dazu, die Fasern vollständig zu umhüllen und so in der gewünschten Geo­metrie zu fixieren, außerdem verhindert sie etwaige Reibung zwischen ihnen. Bei einer Druckbelastung ist es die Aufgabe der Matrix, die Fasern stützend einzubetten (siehe 4.2. Kraftübertragung). Des weiteren dient sie dazu, die

Kräfte auf die Fasern zu leiten und eine Kraftübertragung zwischen den Fa­sern und - falls vorhanden - zwischen den verschiedenen Laminatschichten herzustellen.^[5] Die Matrix selbst ist meistens relativ weich und hat nur mä­ßige mechanische Eigenschaften verglichen mit denen der Fasern, ist aber im Gegensatz zu diesen isotrop.^[6] Das bedeutet, dass sie die Kraft richtungs­unabhängig auf die Fasern verteilt wird, während diese an Ort und Stelle gehalten werden.

3 Vorkommen natürlicher Faserverbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe gehören nicht nur zu den modernsten heute mög­lichen Werkstoffen, sondern ebenfalls zu den ältesten der Welt.^[7] Nicht nur die heute modernen Faserverbundkunststoffe nutzen die festigkeitssteigernde Wirkung einer faserartigen Werkstoffstruktur, auch ihre natürlichen Vorbil­der arbeiten nach demselben Prinzip. Und deren Vorkommen in der Natur ist weitaus höher, als man zunächst vermuten mag. Sie sind sogar der Grund dafür, dass es überhaupt Pflanzen auf dem Festland gibt.

Früher spielte sich alles Leben im Wasser ab. Erst im Laufe der Evolution sollten Flora und Fauna auch das Land bevölkern. Das Wasser bot für das Wachstum der Pflanzen seit jeher ideale Bedingungen: Die sehr reißfesten Cellulosefasern hielten die Gewächse unter Wasser zusammen, während der Auftrieb für die nötige Stabilität und das Wachstum nach oben sorgte. Damit Pflanzen aber auf dem Land vertikal nach oben wachsen konnten, brauchte die Natur ein Mittel, um feste Konstruktionen zu ermöglichen.

So entstand das Lignin, das der wesentliche Grund für die Festigkeit aller heutigen Pflanzen ist. Mit diesem Feststoff in Verbindung mit Cellulosefasern gelang es Pflanzen zum ersten mal, außerhalb des Wassers größere Gebilde zu formen, die nicht unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrachen. Lignin diente dabei als festes Stützmaterial, das vor allem für die Druckfestigkeit wichtig war, während die eingelagerten Cellulosefasern für die Aufnahme der Zugkräfte sorgten.

Dieses Material kennen wir heute als Holz. Es ist der meistverbreitete natürliche Faserverbund und kommt fast überall in der Natur vor. Selbst viele Pflanzen, die kein Holz im eigentlichen Sinne enthalten, nutzen die fes­tigkeitssteigernde Wirkung von Cellulosefasern in Verbindung mit anderen Materialien und können deswegen als Faserverbund bezeichnet werden. Nicht nur in der Flora, sogar in der Fauna kann man natürliche Faserverbunde fin­den. Die Knochen von Wirbeltieren dienen in zweierlei Hinsicht als Beispiel:

Im Mikrometerbereich wird die Knochenhaut durch Osteons^[8] faserartig durchzogen. Im noch kleineren Nanometerberiech sind Proteinfasern aus Kol- lagen in eine kristalline Matrix aus Hydroxylapatit^[9] eingelassen, um diese zu verstärken.

Sogar das Außenskelett von Gliederfüßern besteht aus einem biologischen Faserverbundwerkstoff namens Chitin. In einer Matrix aus Proteinen, Lipi­den und anderen Bestandteilen befinden sich langkettige Chitinfasern, um die Materialeigenschaften zu verändern. Durch verschiedenste Faser-Matrix­Zusammensetzungen ergeben sich extrem harte Sklerite (Hartteile) in den Flügelgelenken und im Kiefer auf der einen Seite, hochelastische Flügel und Gelenkmembranen auf der anderen.^[10]

Noch in vielen weiteren Fällen werden die vorteilhaften Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen durch die Natur genutzt. Ihre Funktionsweise soll im folgenden Kapitel erklärt werden.

4 Funktionsweise von Faserverbundwerkstoffen

Da wir jetzt über die Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen in der Natur Bescheid wissen, widmet sich dieser Teil der Arbeit ganz dem Zusammen­spiel von Matrix und Fasern. Wie bereits in Kapitel 2 erwähnt, ist jede Faser anisotrop und weist ihre guten mechanischen Eigenschaften nur in Längs­richtung auf. Der Kompositwerkstoff wird deswegen nur in diese Richtung verbessert, sodass die bestenfalls rudimentäre Verstärkung in Querrichtung vernachlässigt werden kann.

Quer zur Faserrichtung ergeben sich sogar Situationen, in denen die Fa­sern einen nachteiligen Effekt haben. Diese werden am Ende des nächsten Kapitels behandelt.

4.1 Bedingungen für die Verstärkungswirkung von Fasern

Nicht jede Faser kann dazu eingesetzt werden, die Stabilität eines beliebigen Werkstoffs zu verstärken. Damit die Fasern eine Verstärkungswirkung für den Verbundwerkstoff erfüllen, müssen folgende drei Bedingungen ^[11] erfüllt werden, die im Anschluss erklärt werden:

1. EFaser, längs > EMatrix

Der Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung muss größer sein als der Elastizitätsmodul des Matrixwerkstoffs.

2. ^Bruch, Matrix > ^Bruch, Faser

Die Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs muss größer sein als die Bruch­dehnung der Fasern.

3. RFaser, längs > RMatrix

Die Bruchfestigkeit der Fasern muss größer sein als die Bruchfestigkeit des Matrixwerkstoffs.

Nur wenn obige Bedingungen erfüllt sind, verbessern sich die Materia­leigenschaften des neu entstehenden Werkstoffes verglichen mit denen der einzelnen Komponenten. Während sie in jedem natürlichen Faserverbund aufgrund der Evolution erfüllt sind, muss bei der Fertigung eines tauglichen künstlichen Werkstoffes großes Augenmerk auf ihre Erfüllung gerichtet wer­den.

In folgendem Diagramm ^[12] liegt ein Verbundwerkstoff mit anisotropen Fasern vor. Das heißt, die Fasern wurden alle in die gleiche Richtung in den Werkstoff eingebracht und verstärken ihn deswegen nur in Längsrichtung. Der Werkstoff wird auf der linken Seite in Faserrichtung, auf der rechten Seite quer zu ihr belastet. Die Spannung wird auf der Y-Achse, die zugehörige Dehnung auf der X-Achse der Diagramme vermerkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Bedingung! EFaser, längs EMatrix

Der Elastizitätsmodul^[13] ist ein Wert, der zur Bemessung der Festigkeit eines Materials verwendet wird. Er wird in Pascal gemessen und beschreibt, wie groß die Verformung ε bei einer bestimmten mechanischen Spannung — ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Elastizitätskoeffizient ist definiert als Steigung des Graphen im Span- nungs-Dehnungs-Diagramm für eine einachsige Belastung eines Werkstoffes.

Im linken Bild wird der Faserverbundwerkstoff nur in Faserrichtung be­lastet. Der blaue Graph beschreibt den Elastizitätsmodul der Faser. Er hat im Vergleich zum roten Graphen der Matrix eine größere Steigung und da­mit einen höheren E-Modul, das heißt bei gleicher Belastung dehnt sich die Matrix wesentlich mehr als die Fasern.

Erst durch die Verbindung beider Materialien entsteht der neue Graph (rot-blau). Der E-Modul des neuen Materials ist fast gleich hoch wie der der Fasern alleine. Sie lassen sich auch im Verbund noch schwer dehnen und erhöhen so den E-Modul des Verbundwerkstoffs fast auf ihren eigenen Wert. Wäre die 1. Bedingung nicht erfüllt und die Matrix hätte einen höheren E- Modul, würden sich die Fasern bei gleicher Belastung weiter dehnen als die Matrix und diese somit nicht verstärken.

[...]

^[1] Wgl. Michaeli: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, S. 8.

^[2] Vgl. http://wikipedia.org/wiki/Faser

^[3] Vgl. Jäger: Carbonfasern und ihre Verbundwerkstoffe, S. 11-12.

^[4] Vgl. Neitzel: Faser-Kunststoff-Verbunde, S. 36.

^[5] Vgl. Reich: Grundlagen der Faserverbund-Sandwichbauweise, S. 10.

^[6] Vgl. AVK: Handbuch Faserverbundkunststoffe, S. 296.

^[7] Vgl. ebd., S. 295.

^[8] Funktionelle Grundeinheit der Kortikalis eines Röhrenknochens.

^[9] Mineral aus der Mineralklasse der Phosphate, Arsenate und Vanadate.

^[10] Vgl. Nachtigall: Bionik, S. 61.

^[11] Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/Faserverbundwerkstoff.html; Bedingungen für die Verstärkungswirkung von Fasern.

^[12] Qualitative Spannungs-/Dehnungsdiagramme einer UD-ES Quelle: AVK: Handbuch Faserverbundkunststoffe, S. 296, Abb. 5

^[13] Auch: Zugmodul, Elastizitätskoeffizient, Dehnungsmodul, E-Modul oder Youngscher Modul, benannt nach Thomas Young.