Werkstofftechnik - Verbundwerkstoffe

Als Faserverbundwerkstoff werden Verbundwerkstoffe bezeichnet, die aus einem Matrixwerkstoff mit eigebetteten Fasern bestehen. Sinn dieses Verbundes ist die Nutzung der Steifigkeit der Faser in Faserrichtung in Verbindung mit der Möglichkeit der Formgebung durch die Matrix.

Ein Beispiel für Faserverbundwerkstoffe sind die faserverstärkten Kunststoffe. Hier übernimmt ein Kunststoff die Funktion der Matrix, die dem Bauteil die Form gibt. Die Fasern erhöhen währenddessen die Steifigkeit.

Faser

Die Fasern geben dem Faserverbundwerkstoff  die Festigkeit und Steifigkeit. Die Fasern in einem Faserverbundwerkstoff sind extrem dünn – einige µm Durchmesser. Ihre überragenden Festigkeitseigenschaften zeigt die Faser in ihrer Faserrichtung auf. Das bedeutet, dass ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff möglichst immer in Faserrichtung belastet werden muss, damit man die Vorteile dieses Werkstoffs ausnutzen kann.

Es werden folgende Fasern in Faserverbundwerkstoff verwendet:

• Glasfasern
• Kohlenstofffasern
• Keramikfasern
• Aramidfasern
• Borfasern
• Stahlfasern
• Naturfasern
• Nylonfasern

Da die Faser selbst – ähnlich wie ein Faden – nicht formstabil ist, bedarf es eines Matrixwerkstoffs, der die Faser in Form hält.

Matrix

Die Matrix hat die Aufgabe dem Faserverbundwerkstoff die Form zu geben. Die Fasern sind dabei – möglichst gleichmäßig – in der Matrix eingebettet.

Es kommen folgende Matrixwerkstoffe zum Einsatz:

• Kunststoff (= faserverstärkte Kunststoffe)
  • Duromere (Duroplaste, Kunstharze)
  • Elastomere
  • Thermoplaste
• Zement und Beton
• Metalle
• Keramiken
• Kohlenstoff (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff = CFC)

Grenzschicht

Zwischen Matrix und Faser bildet sich eine Grenzschicht, deren Aufgabe es ist die Kraft zwischen Faser und Matrix zu übertragen.

Voraussetzungen für die Funktion von Faserverbundwerkstoffen

Damit die Kombination aus Faser und Matrix in einem Faserverbundwerkstoff tatsächlich zu der erwünschten Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit (in Faserrichtung) führt, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

1. E_{Faser, längs} > E_Matrix
   Der Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung (= Faserrichtung) muss höher sein als der Elastizitätsmodul des Matrixwerkstoffs.
2. ε_{Bruch, Matrix} > ε_{Bruch, Faser}
   Die Bruchdehnung der Fasern muss kleiner sein als die Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs.
3. R_{Faser, längs} > R_Matrix
   Die Bruchfestigkeit der Fasern muss größer sein als die des Matrixwerkstoffs.

Herstellungsverfahren

Für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen bzw. für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff existieren folgende Verfahren:

• Handlaminieren
• Handlegeverfahren
• Handauflegen mit Vakuumpressen
• Prepreg-Technologie
• Vakuum-Infusion
• Faserwickeln
• Faserspritzen
• Spritzgießen
• LFI-Verfahren
• RTM-Verfahren, Spritzpressen
• Strangziehen
• Sheet Molding Compound (SMC)
• Faserbeton