Verbundwerkstoffe (Fach) / Kap.3 Faserwerkstoffe (Lektion)
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- Def. Faser > stabformige Körper > meist mit Kreisquerschnitt > sehr großes Verhältnis von Länge zu Durchmesser (> meist zur Verstärkung von Kunststoffen)
- Anforderungen an Faserwerkstoffe > Leichtbau: Elemente mit geringer Dichte > Festigkeit und Steifigkeit: hochfeste kovalente oder ionische Bindungen
- Anordnung der Fasern ein- oder zweidimensinoale Molekülstrukturen in Faserachse für eindimensionale Kraftübertragung
- Matrix, kompatible Faserwerkstoffe, Abkürzung des Composits > Kunststoff: Glasfasern (GFK), Kohlenstofffasern (CFK), Aramidfasern (AFK) > Metall: keramische Fasern (MMC) > Keramik: Kohlenstoff (CMC)
- Glasfasern - Eigenschaften > hoher E-Modul im Vgl. zur polymeren Matrix aufgrund kovalener Bindungen (abh. vom Einsatz von Metalloxiden) > isotropes Materialverhalten (E-Modul ist richtungsunabhängig)
- Glasfasern - Herstellung Dünnziehverfahren*: > Glasschmelze wird mehrere Tage geläutert (reinigen), dann flüssig zu Spinndüsen geleitet > Abziehen mit hoher Geschwindigkeit für dünne Filamente > Abkühlen und Schlichte einbringen > gebündelte Filamente ergeben den Roving (welcher aufgerollt wird)
- Glasfasern - Aufgaben der Schlichte > Verkleben der Filamente zum (handhabbaren) Roving (Spinnfaden) > Schutz der empfindlichen, spröden Filamentoberfläche (=> Gleitmittel) > Haftungsverbesserung zw. organischem Harz und anorganischen Fasern (=> Haftvermittler)
- Glasfasern - Vorteile > preisgünstig > gute mechanische, thermische, dielektrische und chemische Eigenschaften > sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme > gute Drapierbarkeit (auch um enge Radien) wegen der niedrigen Fastersteifigkeit
- Glasfasern - Nachteile (u.U.) > relativ niedriger E-Modul: große Spannweiten schwer möglich, wegen niedrigem E-Modul der Kunststoffmatrix > aber: niedriger E-Modul gut für linear-elastische Verformbarkeit einer Struktur
- Aramidfasern - Eigenschaften stark anisotrop negativer Wärmeausdehnungskoeff. gut bei Zug; schlecht bei Druck zäh (splittern nicht) hohe Steifigkeit und hohe PD wegen regelmäßiger Molekülkettenanordnung in Faserrichtung (hochkristallin)
- Aramidfaser - Herstellung Faserspinnen aus Schmelze nicht möglich, da T_s > T_z Lösung aus 20% Polymer und 80% H2SO4 wird zu hochkristallinen Fasern versponnen Waschen, Neutralisieren, Avivage (verbesserte Lauf- und Gleiteigenschaften) Reckvorgang bei hohen Temperaturen zur Steigerung des Orientierungsgrades der Molekülketten
- Aramidfaser - Anwendung bei Gewichtsersparnis als oberster Priorität bei Abrieb und Schlagbeanspruchung aufgrund gutem Dämpfungsvermögen
- Aramidfaser - Feuchtigkeit, Chemikalien, Temperatur bis zu 7% Feuchtigkeitsaufnahme: Beeinträchtigt die Faser und deren Anbindung an die Matrix sehr gute Beständigkeit: nur extrem hohe oder niedrige ph-Werte reduzieren die Zugfestigkeit T_z bei 550°C: Zugfestigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab (stärker als bei Glas- und C-Fasern)
- Aramidfaser - Vorteile geringere Dichte als C-Fasern: extremer Leichtbau möglich höhere Ermüdungs- und Zugfestigkeit als Glasfasern fast doppelter E-Modul von Glasfasern
- Aramidfasern - Nachteile geringe Druckfestigkeit parallel zur Faserrichtung nimmt Wasser auf, was Haftungsprobleme mit der Matrix verursachen kann schwere Bearbeitbarkeit weger der hohen Zähigkeit
- C-Fasern - Eigenschaften extrem hohe Festigkeit und Steifigkeit (daher spröde und knickempfindlich) geringe Bruchdehnung anisotropes Materialverhalten gut elektrisch leitend
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- C-Fasern - Aufbau Gitterstruktur: Graphitkristall aus eng gepacktem, kontinuierlichem Netzwerk mit starken Atombindungen Basalebenen (starke kovalente Bindungen) verlaufen parallel zur Faserrichtung und oft miteinander verbunden zwischen den Basalebenen (quer zur Faserrichtung) wirken schwache van der Waals'sche Bindungen
- C-Fasern - Herstellung (PAN) Polyacrylnitril wird zur Molekülorientierung gestreckt Stabilisieren (200-300°C): Dehydrieren und Zyklisieren der Nitrilgruppe in ein Leiterpolymer Carbonisieren (bis 1.600°C): Verkokung (Pyrolyse) des Leitermolymers führt zur Abspaltung von nicht C-Atomen und zur Bildung von Kohlenstoffringen Graphitisieren (bis 2.500°C): Verbesserung von E-Modul und Festigkeit (hoher Orientierungsgrad der C-Schichten und wenige Fehlstellen)
- C-Fasern - Vorteile sehr leicht extrem hohe Festigkeiten und E-Moduln realisierbar exzellente Ermüdungsfestigkeit
- C-Fasern - Nachteile sprödes Bruchverhalten hohe Faserpreise