Sehr unterschiedliche Materialien
Verbundwerkstoffe unterscheiden sich von herkömmlichen Werkstoffen dadurch, dass Verbundwerkstoffe zwei unterschiedliche Komponenten enthalten – Faser- und Matrixmaterialien (am häufigsten Polymerharze) – die bei Kombination getrennt bleiben, aber zusammenwirken, um ein neues Material zu bilden, dessen Eigenschaften nicht durch einfaches Addieren seiner Eigenschaften vorhergesagt werden können Komponenten.
Tatsächlich ist einer der Hauptvorteile der Faser/Harz-Kombination ihre Komplementarität. Beispielsweise haben dünne Glasfasern eine relativ hohe Zugfestigkeit, werden aber leicht beschädigt. Im Gegensatz dazu haben die meisten Polymerharze eine schwache Zugfestigkeit, sind aber sehr zäh und formbar. Wenn Faser und Harz kombiniert werden, können sie jedoch die Schwächen des anderen ausgleichen und ein Material schaffen, das weitaus nützlicher ist als jede einzelne Komponente.
Die strukturellen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen werden hauptsächlich von der Faserverstärkung abgeleitet. Kommerzielle Verbundwerkstoffe für große Märkte, wie Automobilteile, Schiffe, Konsumgüter und korrosionsbeständige Industrieteile, werden typischerweise aus diskontinuierlichen, zufällig orientierten Glasfasern oder kontinuierlichen, aber nicht orientierten Faserformen hergestellt.
Ursprünglich für die militärische Luft- und Raumfahrt entwickelt, finden sich fortschrittliche Verbundwerkstoffe, die eine bessere Leistung als herkömmliche Strukturmetalle erbringen, heute in Kommunikationssatelliten, Flugzeugen, Sportartikeln, im Transportwesen, in der Schwerindustrie und im Energiesektor für die Öl- und Gasexploration und den Bau von Windturbinen.
Hochleistungsverbundwerkstoffe leiten ihre strukturellen Eigenschaften von kontinuierlichen, orientierten, hochfesten Faserverstärkungsmaterialien -- ab, am häufigsten Kohlefaser, Arylpolyamidfaser oder Glasfaser -- in einer Matrix, die die Bearbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften verbessert wie Steifigkeit und chemische Beständigkeit.
Die Faserorientierung kann gesteuert werden, was ein Faktor ist, der die Leistung in jeder Anwendung verbessern kann. Beispielsweise sind in Golfschlägerschäften aus Verbundwerkstoff Bor- und Kohlenstofffasern in unterschiedlichen Winkeln innerhalb des Verbundwerkstoffschafts ausgerichtet, sodass sie ihre Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften voll ausnutzen und Drehmomentbelastungen und mehrfachen Biege-, Druck- und Zugkräften standhalten können.
Glasfaser
Die überwiegende Mehrheit der in der Verbundstoffindustrie verwendeten Fasern besteht aus Glas. Glasfaser ist das älteste und gebräuchlichste Verstärkungsmaterial, das in den meisten Endmarktanwendungen (wobei die Luft- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Ausnahme darstellt) verwendet wird, um schwerere Metallkomponenten zu ersetzen.
Glasfaser ist schwerer und weniger steif als Kohlefaser, das zweithäufigste Verstärkungsmaterial, aber es ist schlagfester und hat eine größere Bruchdehnung (d. h. es dehnt sich vor dem Bruch stärker aus). Je nach Glastyp, Filamentdurchmesser, Beschichtungschemie (als „Schlichten“ bezeichnet) und Faserform kann eine breite Palette von Eigenschaften und Leistungsniveaus erzielt werden.
Glasfilamente werden in Form von Bündeln geliefert, die Stränge genannt werden, die Ansammlungen von kontinuierlichen Glasfilamenten sind.
Roving ist normalerweise ein Bündel unverdrillter Stränge, die wie ein Faden um eine große Spule gewickelt sind. Einseitiger Roving besteht aus einem kontinuierlichen Strang aus mehreren Glasfilamenten, die über die Länge des Strangs verlaufen. Roving mit mehreren Enden enthält lange, aber nicht vollständig kontinuierliche Stränge, die während des Wickelns in einer versetzten Anordnung hinzugefügt oder entfernt werden. Garn ist eine Ansammlung von Strängen, die miteinander verdreht sind.
Hochleistungsfaser
Kohlenstofffasern – bei weitem die am weitesten verbreitete Faser in Hochleistungsanwendungen – werden aus einer Vielzahl von Vorläufersystemen hergestellt, darunter Polyacrylnitril (PAN), Kunstseide und Asphalt. Vorläuferfasern werden chemisch behandelt, erhitzt und gestreckt und dann karbonisiert, um hochfeste Fasern herzustellen. Die erste Hochleistungs-Carbonfaser auf dem Markt wurde aus Rayon-Vorläufern hergestellt.
Heutzutage haben Fasern auf Polyacrylnitril- und Asphaltbasis Kunstfasern in den meisten Anwendungen ersetzt. Kohlefaser auf Pfannenbasis ist am vielseitigsten. Sie bieten eine erstaunliche Bandbreite an Eigenschaften, darunter hervorragende Festigkeit und hohe Steifigkeit. Asphaltfasern werden aus Erdöl- oder Kohlenteerbitumen hergestellt und haben eine hohe bis extrem hohe Steifheit und einen niedrigen bis negativen axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Ihre CTE-Eigenschaften sind besonders nützlich in Raumfahrzeuganwendungen, die ein thermisches Management erfordern, wie beispielsweise Gehäuse elektronischer Instrumente.
Carbonfasern sind zwar stärker als Glas- oder Aramidfasern, aber nicht nur weniger schlagzäh, sondern unterliegen bei Kontakt mit Metall auch einer galvanischen Korrosion. Hersteller überwinden das letztere Problem, indem sie während des Laminierungsprozesses Barrierematerialien oder Schleierschichten (normalerweise Glasfaser/Epoxid) verwenden.
Die grundlegende Faserform von Hochleistungskohlefaser ist ein kontinuierliches Faserbündel, das als Filamentbündel bezeichnet wird. Ein Kohlefaserbündel besteht aus Tausenden von kontinuierlichen, unverdrillten Filamenten, wobei die Anzahl der Filamente durch eine Zahl gefolgt von einem "K" dargestellt wird, was bedeutet, multipliziert mit 1, 000 (zum Beispiel bedeutet 12K, dass die Anzahl der Filamente ist 12, 000). Bündel können direkt in Prozessen wie Filamentwicklung oder Pultrusionsformen verwendet oder in unidirektionale Bänder, Gewebe und andere verstärkte Formen umgewandelt werden.
