Faserverbundwerkstoffe

Composites, Faser, Matrix und was man wissen muss.

Faserverbundwerkstoffe und Composites

Faserverbundwerkstoffe, auch als Composites bekannt, bestehen aus zwei Hauptkomponenten: verstärkenden Fasern und einer stützenden Matrix. Die Fasern liefern die nötige Festigkeit, während die Matrix die Fasern stabilisiert und deren Eigenschaften zur Geltung bringt. Durch die Wechselwirkung dieser Komponenten entstehen Werkstoffe, die weitaus bessere mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen als ihre Einzelteile.

Dies macht Faserverbundwerkstoffe ideal für Anwendungen, die Leichtbau, Festigkeit und Widerstandsfähigkeit erfordern. Der Aufbau eines Faserverbundwerkstoffs, einschließlich Faserwinkel, Volumenanteil und Schichtreihenfolge, kann je nach Anwendung angepasst werden, um optimale Leistung zu gewährleisten.

Welche Faser? Glas-, Kohle- oder Aramidfaser

Für technische Faserverbundwerkstoffe werden hauptsächlich drei Fasertypen verwendet:

Glasfaser (GFK): Glasfasern bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und sind weit verbreitet. Sie werden aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit und elektrischen Isoliereigenschaften geschätzt und finden insbesondere in der Elektronik und im Bauwesen Anwendung.
Kohlefaser (CFK): Kohlefasern sind für ihre herausragende Festigkeit und Steifigkeit bekannt. Sie haben ein geringes Gewicht und sind besonders geeignet für Anwendungen, die hohe Belastbarkeit bei minimalem Gewicht erfordern, etwa in der Luftfahrt, Automobilindustrie und Robotik.
Aramidfaser (AFK): Aramidfasern bieten eine hohe Schlagzähigkeit und Energieabsorption. Sie werden vor allem in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt, wie etwa in Schutzkleidung oder Bauteilen, die hohen Belastungen standhalten müssen.

Diese Fasern werden häufig in Form von Endlosfasern verarbeitet und zu Geweben, Geflechten oder Matten geformt, um die Handhabung bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen zu erleichtern.

Welche Matrix? Thermo- oder duroplastisch

Die Matrix in einem Faserverbundwerkstoff hält die Fasern zusammen und überträgt die Lasten auf die Fasern. Es gibt zwei Hauptarten von Matrixwerkstoffen:

Thermoplastische Kunststoffe: Diese Matrixmaterialien, wie Polyamid (PA) oder Polyetheretherketon (PEEK), können wiederholt erhitzt und umgeformt werden, was eine größere Flexibilität bei der Verarbeitung ermöglicht. Thermoplastische Verbundwerkstoffe sind besonders nützlich, wenn Verformbarkeit oder Recycling gefordert sind.
Duroplastische Kunststoffe: Duroplaste wie Epoxid oder Polyester härten irreversibel aus und bieten eine höhere Steifigkeit und Formstabilität. Sie eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen dauerhafte mechanische Festigkeit und hohe Belastbarkeit entscheidend sind.

Die Wahl der Matrix hängt von den Anforderungen an Festigkeit, Verarbeitung und die endgültige Anwendung ab.

Kohlefaser: Formstabil auch bei Temperaturanstieg

Kohlefasern werden in einem komplexen industriellen Prozess aus kohlenstoffhaltigem Material gewonnen. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit, Steifigkeit und geringe Bruchdehnung aus. Kohlefaser-Verbundwerkstoffe sind extrem formstabil, auch bei Temperaturänderungen, und haben einen geringen bis negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das bedeutet, dass sie selbst bei hohen Temperaturen ihre Form behalten. Darüber hinaus sind Kohlefasern elektrisch und thermisch leitfähig, nicht magnetisch und röntgentransparent, was sie für High-Tech-Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Automobilbau ideal macht.

Glasfaser: Die bis heute meist verwendete Verstärkungsfaser

Glasfasern sind die weltweit am häufigsten verwendeten Verstärkungsfasern, vor allem wegen ihres günstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses. Sie bieten gute mechanische Eigenschaften und sind chemisch beständig. Glasfasern werden oft in der Elektronikindustrie für Leiterplatten (PCB) eingesetzt und sind für ihre dielektrischen Eigenschaften bekannt. Je nach Bedarf können verschiedene Glasfasertypen verwendet werden, um höhere mechanische Festigkeit oder Temperaturbeständigkeit zu erzielen. Verbundwerkstoffe aus Glasfaser werden oft als GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) bezeichnet.

Aramidfaser: Höchst maßhaltige Bauteile

Aramidfasern besitzen einzigartige Eigenschaften, die sie besonders für Anwendungen machen, die eine hohe Maßhaltigkeit erfordern. Sie haben einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass sie bei Erwärmung schrumpfen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung extrem präziser Bauteile. Aramidfasern bieten zudem eine höhere Schlagzähigkeit als Kohlefasern und sind besonders geeignet, wenn eine hohe Energieabsorption erforderlich ist, beispielsweise in Schutzkleidung oder sicherheitskritischen Bauteilen. Ihre spezifische Festigkeit und das Elastizitätsmodul sind jedoch etwas niedriger als bei Kohlefasern. Aramid-Verbundwerkstoffe werden häufig als AFK (aramidfaserverstärkter Kunststoff) bezeichnet.

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