Verbundwerkstoffe: Herstellung

In einer fortschrittlichen Gesellschaft wie der unseren sind wir alle in irgendeinem Aspekt unseres Lebens auf Verbundwerkstoffe angewiesen. Glasfaser wurde in den späten 1940er Jahren entwickelt und ist der erste moderne Verbundwerkstoff. Es wird für Bootsrümpfe, Surfbretter, Sportartikel, Schwimmbadauskleidungen, Bauplatten und Autokarosserien verwendet.

Verbundwerkstoffe entstehen durch die Kombination von zwei oder mehr Materialien, die ganz unterschiedliche Eigenschaften haben. Die verschiedenen Materialien wirken zusammen und verleihen dem Verbundstoff einzigartige Eigenschaften. Innerhalb des Verbundwerkstoffs kann man die verschiedenen Materialien jedoch leicht unterscheiden. Das liegt daran, dass sie sich nicht auflösen oder ineinander übergehen.

Die meisten Verbundwerkstoffe bestehen aus nur zwei Materialien. Das eine (die Matrix oder das Bindemittel) umgibt und bindet ein Bündel von Fasern oder Fragmenten eines viel stärkeren Materials (die Verstärkung). Durch die sorgfältige Auswahl der Verstärkung, der Matrix und des Herstellungsverfahrens, mit dem sie zusammengefügt werden, können die Ingenieure die Eigenschaften auf bestimmte Anforderungen abstimmen.

Für die Matrix werden bei vielen modernen Verbundwerkstoffen duroplastische oder thermisch erweichende Kunststoffe (Harze) verwendet. Die Kunststoffe sind Polymere, die die Verstärkung zusammenhalten und die physikalischen Eigenschaften des Endprodukts mitbestimmen.

Duroplastische Kunststoffe sind bei der Herstellung flüssig, härten aber aus und werden starr, wenn sie erhitzt werden. Der Aushärtungsprozess ist nicht umkehrbar, so dass diese Materialien bei hohen Temperaturen nicht erweichen. Diese Kunststoffe sind resistent gegen chemische Einflüsse und daher sehr langlebig.

Thermoerweichende Kunststoffe sind bei niedrigen Temperaturen hart, erweichen aber bei Erwärmung. Sie haben eine höhere Bruchzähigkeit, eine längere Haltbarkeit des Rohmaterials, können recycelt werden und sorgen für einen saubereren und sichereren Arbeitsplatz. Letzteres ist darauf zurückzuführen, dass für den Härtungsprozess keine organischen Lösungsmittel benötigt werden.

Keramik, Kohlenstoff und Metalle werden als Matrix für einige hochspezialisierte Zwecke verwendet. Keramik wird zum Beispiel verwendet, wenn das Material hohen Temperaturen ausgesetzt wird (Wärmetauscher), und Kohlenstoff wird für Produkte verwendet, die Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind (Lager und Getriebe).

Obwohl Grasfasern die am weitesten verbreitete Verstärkung sind, werden in vielen modernen Verbundwerkstoffen feine Fasern aus reinem Kohlenstoff verwendet. Es gibt zwei Hauptarten von Kohlenstoff, die verwendet werden können - Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhren. Beide sind reiner Kohlenstoff, aber die Atome sind in unterschiedlichen Kristallkonfigurationen angeordnet.

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind leicht und viel stärker als Glasfasern, aber auch teurer. Noch stärker und teurer als Kohlenstofffasern sind Fäden aus Bor. Nanoröhren aus Bornitrid haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie viel hitzebeständiger sind als Kohlenstofffasern. Außerdem besitzen sie piezoelektrische Eigenschaften, d. h. sie können Strom erzeugen, wenn physischer Druck auf sie ausgeübt wird.

Auch Polymere können als Verstärkungsmaterial verwendet werden. Kevlar zum Beispiel, das vor allem für seine Verwendung in kugelsicheren Westen und Helmen bekannt ist, ist eine Polymerfaser, die eine enorme Festigkeit aufweist und einem Verbundwerkstoff Zähigkeit verleiht. Sie wird als Verstärkung in Verbundwerkstoffprodukten verwendet, die eine leichte und zuverlässige Konstruktion erfordern. Noch stärker als Kevlar ist eine Substanz, die aus einer Kombination von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht.

Viele neue Arten von Verbundwerkstoffen werden nicht nach der Matrix- und Verstärkungsmethode hergestellt. Stattdessen werden sie durch das Auftragen mehrerer Materialschichten hergestellt. Die Struktur vieler Verbundwerkstoffe besteht aus einer Wabe aus Kunststoff, die zwischen zwei Schichten aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff eingebettet ist.

Diese Sandwich-Verbundwerkstoffe kombinieren hohe Festigkeit und insbesondere Biegesteifigkeit mit geringem Gewicht. Bei anderen Methoden werden einfach mehrere abwechselnde Schichten aus verschiedenen Materialien aufgetragen, um den Verbundwerkstoff herzustellen.

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