Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen (Fach) / Faser-, Matrix- und Kernwerkstoffe (Lektion)

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• Was versteht man unter dem Begriff „Faserparadoxum“? Je kleiner der Faserdurchmesser, desto höher die Festigkeit. --> Da mit kleinerem Volumenanteil der Einzelfaser der Fehlstellen-Anteil abimmt.
• Was versteht man unter einem Rissstopeffekt von Faserverbundwerkstoffen im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen? Bei metallischen Werkstoffen kann sich ein Riss ungehindert weiter ausbreiten. BeiFaserverbund-Werkstoffen wir der Riss an jeder Fasergrenze gestoppt. Die Last die aufeine gerissene Faser wirkt, verteilt sich auf umliegende Fasern. Der Versagensverlauf istdeutlich langsamer.
• Wie groß sind die Elastizitätsmodule von Glasfasern, Aramidfasern und hochfester Kohlefaser? Glas                         ~ 87.000Aramid                     ~ 130.000Hochfeste Kohlefaser ~ 230.000
• Wie werden Glasfasern hergestellt? - Rohstoff schmelzen zu Glas (bei ~1400°C)- Durch 400-6000 Spinndüsen drücken (5 - 24 μm)- ausziehen und abkühlen (Bruchteil 1 Sekunde)- auftragen einer Schlichte (Schutz vor Scheuerempfindlichkeit und Haftung verbessern)- Zusammenfassen der Fasern zu einem Spinnfaden
• Welche Vor- und Nachteile haben Glasfasern? + niedriger Preis+ hohe Bruchdehnung+ hohe Festigkeit (Zug und Druck)+ gute Drapierbarkeit+ sehr gute elektrische und thermische Isolationsfähigkeit+ Tränkung mit Harz gut sichtbar+ Verklebung zu eingeklebten Elementen gut sichtbar (Schaum- oder Wabenkern)+ Beschädigung gut zu erkennen (wird milchig)+ Glasfasern können eingefärbt werden - kleiner E-Modul (kann auch Vorteil sein für zB Federn)- große Dichte (vgl. Aramid- und Kohlefaser)
• Welche Vor- und Nachteile haben Aramidfasern? + kleine Dichte (bezgl Kohle- und Glasfaser)+ hohe Steifigkeit (E-Modul höher als Glas)+ höhere Zugfestigkeit als E-Glas+ Ermüdungsfestigkeit besser als Glasfaser+ Dämpfung höher als Glas- und Kohlefaser+ herausragende Zähigkeit - geringe Druckfestigkeit- Wasseraufnahme (35-Fach gegenüber Glas und Kohle)- nicht UV-Beständig- kriechen bei Langzeitbelastung- preis zwischen Glas und Kohle- Bearbeitung sehr schwierig
• Welche Vor- und Nachteile haben Kohlefasern? + kleinere Dichte als Glas+ hohe Festigkeit+ ODER hohe Steifigkeit+ Exzellente Ermüdungsfestigkeit+ fast linear-elastisches Verhalten+ Risse in der Matrix erst bei deutlich höheren Spannungen als GFK (Entlastung der Matrix   durch höhere Steifigkeit)+ thermische Ausdehnung (Faserrichtung negativ, Quer positiv, im Laminat auf 0   einstellbar)+ Beständig gegen Säuren / Alkalien+ Röntgen-Strahlen durchlässigkeit - Bruchverhalten ist spröde (schlagempfindlich)- Bruchdehnung klein (1-2 % / Dehngrenzen für Auslegung ~ 0,4 %)- Undurchsichtigkeit (innere Schäden nicht zu sehen, ausreichende Tränkung nicht zu  sehen, Aufwändige prüfung mit Ultraschall/Wärmebildkamera)- Faserdruckfestigkeit kleiner als -zugfestigkeit- Eckradien müssen größer sein als bei Glas (wegen hohem E-Modul)- Teuer (steigt mit: E-Modul, Feinheit des Garns, Abnahme der Filamentzahlen) - leiten Strom
• Erklären Sie die Begriffe K-Zahl und TEX bei Fasern. K-Zahl: Anzahl Filamente innerhalb eines Tow/Roving (5k entspricht 5.000 Filamenten) TEX   : Massenbelegung - Masse in g für 1000m eines Tow/Rovings
• Erläutern Sie die Begriffe Gewebe, Gelege und Matte. Gewebe: - besteht aus Ketten- und Schussfäden. Mit Krümmung verwebt.- Drapierbarkeit steigerbar durch:      Leinwand- (1 drunter - 1 drüber),       Köper- (2 drunter - 2 drüber) oder      Atlasbindung (7 drunter - 1 drüber) Gelege: - Besteht aus einer oder mehreren aufeinander liegenden UD (Unidirektional) Faserbündeln- Dadurch optimale Festigkeitsausnutzung Matte: - Kurze Fasern (25 - 50 mm), orientiert in allen Richtungen, verbunden durch Binder
• Welche Aufgaben hat die Matrix bei Faserverbundwerkstoffen? - Fixierung der Fasern (geometrische Anordnung, scheuerempfindl. Fasern auf Abstand)- Verklebung der Fasern untereinander (Kraftübertragung Faser zu Faser)- mechanische Lasten übernehmen (Quer zu Faserrichtung, Schub)
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• Warum werden Sandwichkonstruktionen im Flugzeugbau nicht für Primärstrukturteile eingesetzt? - kein Rissstopeffekt bei Schäumen- Delamination von Deckschichten bei Beschädigung- Aufnahme von Wasser bei Temperaturen unter 0°C
• Nennen Sie je fünf Vor- und Nachteile eines Faserverbundwerkstoffes gegenüber metallischen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium. + Leichtbaupotenzial+ Korrosionsbeständigkeit+ elektrische Isolations- bzw. Leitfähigkeit (einstellbar)+ magnetische Passivität+ Durchstrahlbarkeit+ Schalldurchlässigkeit (Sonar) - Höherer Materialpreis- Temperaturobergrenzen (abhängig von Matrix)- Entsorgung (Recycling problematisch)- Kriechen bei Dauerbelastung- keine ausgeprägte Dauerfestigkeit (Schädigung schon bei 40% - 50% der Bruchfestigkeit)- Verbindungen (Festigkeit bei Verklebungen viel geringer als zB. bei Schweißverbindungen)
• Wie groß sind in etwa die möglichen Faservolumenanteile bei Matte, Gewebe und UD-Gelegen? Matte:    15 - 35 %Gewebe: 35 - 50 %UD:        bis 70 % möglich Multiaxialgelege: bis 70%
• Wodurch unterscheiden sich die Harze Epoxid, Polyester und Vinylester?                                        Epoxid                 Polyester                   VinylesterOsmosegefahr                  nein                        ja                             geringAushärtung                 ohne Dämpfe          Lösungsmittel              Lösungsmittel                                    (Exotherm)Standart                        sehr hoch                Industrie                       hochmechanisch            höchste Festigkeit   spröde, Matrixbruch    bessere interlaminare                                                                        vor Fasern               Festigkeitchem. Widerstand      am bestern                 besser                       gut/mäßig
• Welche Probleme bereiten Sandwichkonstruktionen? - Wasseraufnahme des Kerns (durch zB. Risse in Deckschichten oder schlecht                                                           abgedichteten Schraubverbindungen)- Ausknicken bei Druck- und Biegebelastung (Auffalten, Kräuseln,...)- Krafteinleitung (Püttinge,Winschen,...) (Probleme bei Kernwerkstoffen: - kein Rissstopeffekt bei Schäumen- Delamination von Deckschichten kann auftreten- Aufnahme von Wasser  )
• Nennen Sie drei verschiedene Kernwerkstoffe für Sandwichstrukturen. - Waben- Schäume- Vliese- Sperrholz
• Welche drei Faserwerkstoffe werden für mechanisch stark belastete Strukturen eingesetzt? Sortieren Sie die Faserwerkstoffe nach Größe der Dichte und Größe des E-Moduls. Glas-, Aramid- und Kohlefaser Dichte:Glasfaser      ~ 2,5 [g/cm³]Kohlefaser    ~ 1,8 [g/cm³]Aramidfaser  ~ 1,45 [g/cm³] E-Modul:Glasfaser         87.000 [N/mm²]Aramidfaser   130.000 [N/mm²]Kohlefaser     230.000 [N/mm²] (Hochfest)
• Erklären Sie die Begriffe Filament, Spinnfaden, Garn, Zwirn, Rowing. Filament:      einzelne Faser (5 - 20 μm)Spinnfaden:  besteht aus vielen FilamentenGarn:           verdrehter SpinnfadenZwirn:          miteinander verdrehte GarneRoving/Tow: mehrere nicht verdrehte Spinnfäden nebeneinander
• Wie unterscheiden sich die Gewebearten Leinen, Köper, Atlas? - ein drunter,   ein drüber- zwei drunter, zwei drüber- 7 drunter,     ein drüber
• Was ist der „Glasübergangspunkt“ bei Duroplasten? Wovon hängt er ab? - Temperatur T0, bei der sich die mechanischen und thermischen Eigenschaften eines    Duroplasts ändern:                               - Wärmedehnung und spez. Wärmekapazität nehmen stark zu                               - Steifigkeiten und Festigkeit reduzieren sich stark                               - Bruchdehnung nimmt stark zuHängt ab von:       - Harzsorte       - Aushärte- und Temper Temperatur       - Feuchte
• Was ist ein eingeschlossener Matrixzwickel und wie unterschiedlich wirkt er sich aus bei Polyesterharz und Epoxidharz? -> Ein Einschluss von Matrix zwischen mehreren Fasern, die einen geschlossenen Kreis    bilden. Beim schrumpfen des Harzes können die Fasern nicht "mitziehen". Epoxidharz:    schrumpft im flüssigen Zustand. Durch Harzüberschuss kann Matrix nachfließen. Polyesterharz: schrumpft im teilweise festen Zustand. Ablösung von Marix und Faser.
• Welche drei Anforderungen müssen an die Fasern im Vergleich zu den Matrixwerkstoffen gestellt werden? - E-Modul Faser          viel größer- Zugfestigkeit Faser   viel größer- Bruchdehnung Faser kann kleiner sein
• Welche Anforderungen werden an Schäume gestellt? - geringe Dichte- hohe wenig Harzaufnahme besonders bei Infusionsverfahren- geringe Wasseraufnahme- hohe Temperaturstabilität für Prepreg-Prozesse- gut zu verkleben mit Deckschichten - hohe Schub- und Druckfestigkeit- hohe Schubsteifigkeit- große Bruchdehnung
• Wodurch unterscheiden sich linear und räumlich vernetzte PVC-Schäume? linear: - relativ zäh, geringe Wärmebeständigkeit- Erweichungstemp. ca 60°C räumlich: - relativ spröde, hohe Wärmebeständigkeit- Erweichungstemperatur ca 100°C
• Wie werden Waben als Kernwerkstoff hergestellt? - Mehrere Lagen Aramidpapier übereinander legen, die Schichtweise mit versetzten  Streifen von Klebstoff bedruckt sind - Pressen um an Klebstreifen Verbindung zu schaffen - Papierlagen auseinanderziehen -> dabei entsteht Wabenstruktur - Waben in Harz tauchen und im Ofen aushärten
• Wieso sind die Schubsteifigkeiten bei Waben unterschiedlich in zwei Richtungen? W-Schubfestigkeit und -modul (Richtung Ebenen-Normale des Papiers) ist geringer L- Schubfestigkeit und -modul (in Faserrichtung des Papiers) höher
• Wie werden Kohlefasern hergestellt? • Stabilisieren   – in oxidativer Atmosphäre (Sauerstoff in Luft)   – bei 180 350 °C   – Überführen in unschmelzbare Struktur • Carbonisieren   – hohe Aufheizgeschwindigkeit (ca. 600 °C/min)   – Temperaturen bis 1500 °C   – thermischer Abbau der Faser   – Nichtkohlenstoffatome werden abgespalten   – Masseverlust ca. 50% • Graphitieren   – Schutzgasatmosphäre (Argon)   – Temperaturen 1200 3000 °C   – Verstrecken erhöht die Orientierung der Graphitebenen parallel zur Faserachse   – 1200 1500 °C ergibt Hochfestfasern   – über 2200 °C ergibt Hochmodulfasern   – über 3000 °C ergibt Ultrahochmodulfasern • Oberflächenbehandlung oxidativ   – nass chemisch (Salpetersäure) oder   – thermisch an Luft mit über 400 °C • Oberflächenbeschichtung   – dünne Polymerschichten zur Verbesserung der Haftung der Matrix

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