FVW

• Luft-& Raumfahrt -> Träger

• Autmobilbau -> Carbondach

• Schienen- & Nutzfahrzeugbau

• Bootbau -> Carbonmonocoque

• Bauindustrie -> Hochbelastungsträger

• Windendergie -> Windradträger

• Sportindustrie -> Prothesen

• niedriges spez. Gewicht

• hohe Festigkeit

• bestimmte phy. Eigenschaften

• in einzelnen Fällen aus Kostengründen

• Eigenschaften geziehlt einstellbar

• Korossionsunempfindlich, wenn auch nicht uneingeschränkt

Al: 2,7 g/cm³ ; 70 000 N/mm²

Stahl: 7,8 g/cm³ ; 210 000 N/mm²

GF: 2,52 - 2,65 g/cm³ ; 73 000 N/mm²

CF: 1,8 g/cm³ ; 240 000 - 550 000 N/mm²

AR: 1,44 g/cm³ ; 65 000 - 130 000 N/mm²

FVW besitzen Anisotropie / richtungsunabhängige Eigenschaften

• Verstärkungsfaser

• Fertigungsverfahren

• Matrixsysteme

• Glasfaser (GF)

• Naturfaser

• Kohlenstofffaser (CF)

• Aramidfaser (AR)

• Standardtyp (HT)

• Hochmodul (HM)

Unidirektional => nur eine Richtung

Quasiisotrop

Vorteile:

• geringe Dichte

• Hohe gewichtspezifische Steif- & Festigkeit

• gutes Dämpfungsverhalten

• Sehr gutes Ermüdungsverhalten

• hohe Integrationsfähigkeit

• sehr geringe Wärmedehnung in Faserrichtung

• Korrosionsunempfindlich, jedoch nicht uneingeschränkt

Nachteile:

• geringe Lochreibung

• teilweise geringe Schadenstoleranz

• notwendiges Know-How zur Auslgung und Gestaltung

• Aufwändige Qualitätssicherung

• geringe Temperaturstabilität

• meist realtiv sprödes Versagen

• teilweise aufwändige Fertigung

Definition

• besteht aus zwei o. mehreren Komponenten

  • die nicht ineindander löslich sind

  • mit optimal gezüchteten Eigenschaften füt spezifische Anwendungen

• sind makroskopisch quasihomogen

Voraussetzung

• Eigenschaften der Phasen um etwa Faktor > 3 unterscheidbar

• Anteil einer Phase > 10 % (bei Nanocomposites 1 - 5 %)

Abgrenzung: Makroskopisch inhomogene Phasenverbunde sind

• Werkstoffverbunde

• Bsp. Zylinderkopfdichtung

• die Form des Bauteils zu halten

• die Fasern zusammenhalten

• die Kräfte von Faser zu Faser zu übertragen

• Überbeanspruchungen auszugleichen

• den Minimalabstand der Faser zu gewährleisten

• die Fasern zu schützen

• Eigenschaften quer zur Faserrichtung

• vor Umwelteinflüssen schützen

• Verarbeitungsadditive -> Verwendung von Antioxidatien

• Langzeitadditive -> Verwendung von Antioxidatien

• Temperaturstabilisatoren -> Verwendung von Antioxidatien

• Faser-Matrix-Koppler -> stellen ungewollte Bindungen her

• Farbadditive -> für technische Bauteile von Anwender gewollt

• UV-Schutzadditive -> damit sich Teile nicht verfärben

• Flammschutzadditive -> damit es in genutzten Branchen nicht so leicht entflammbar ist

• Aminoplaste (UF)

• Ungesättige Polyesterharze (UP)

• Epoxidharze (EP)

• Polyurethane (PUR)

• LS- / LP-Additive -> gegen Schwindung und Spannungen

• Prozessadditive -> Verarbeitbarkeit der Materialien verbessern

• Initiatoren -> zum Härten

• Beschleuniger -> zum beschleunigen des Zerfalls oganischer Peridoxe

• Inhibitoren -> zum verlangsamen des Zerfalls oganischer Peridoxe

• Interne Trennmittel -> für bessere Entformbarkeit

• Eindickmittel -> optimieren Faserimprägnierung

• Lösemittel -> beeiflussung der Viskosität

• Viskositätsreduzierer -> Reduktion von Viskosität

• Farbmittel -> zu eimfärben von nicht lackierten Bauteilen

• Flammschutzmittel -> um Teile schwerer entflammbar zu machen

• Matrixbruchdehnung > Faserbruchdehnung

• Matrixdestigkeit < Faserfestigkeit

  • ABER: bei Mehrschichtverbunden bestimmt die Matrix die Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung

• Matrixsteifigkeit < Fasersteifigkeit

• Faser-Volumanteil muss oberhalb eines kritischen Wertes liegen

• die Grenzflächenfestigkeit des Verbunds sollte höher sein, als die Schubfestigkeit der Matrix

• die unterlaminare Festigkeit wird durch die Matrixeigenschaft bestimmt

• Sandwich

• Differential

• Integrierend

• Integral

• Hybrid

1. Paradoxon des festen Wekstoffs

   Die reale Festigkeit eines Wekstoffs ist viel niedriger als die theoretische

2. Paradoxon der Faserform

   Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach höhere Festgkeit als das gleiche Material in kompakter Form

   Je dünner die Faser, umso größer die Festigkeit

3. Paradoxon der EInspannlänge

   Je kleiner die Einspannlänge, umso größer die gemessene Festigkeit einer Einzelfaser

4. Paradoxon der Verbundwerkstoffe

   Ein Verbundwekstoff kann höhere Spannungen ertragen, als die schwächere Komponente alleine

1. Paradoxon

1. Paradoxon

• das E-Modul der Fasern ist größer als bei der Matrix

• die Bruchdehnung der Fasern ist kleiner als die der Matrix

• die Bruchspannung der Fasern ist größer als bei der Matrix

• Der Faser-Volumenanteil ist größer als vkrit (=10%)

• die Fasern sind in Belastungsrichtung ausgerichtet

Naturfasern können keine kontinuierlichen Fasern haben, Polymere hingegen kann Endlosfasern haben => dadurch deutlich einfacher in Prozesskette

k= Anzahl der Einzelfilamente in 1000

tex= 1 g/1000m

Grunddaten:

Merkmale:

• 3D kovalente Bindung zw. Silicium und Sauerstoff => hohe Festigkeit

• Isotrope Eigenschaften

• Amorpher Wekstoff

Eigenschaften:

• gute mech. Eigenschaften

• Wasserfestigkeit

• gutes korrosionsverhalten

• preiswert

• Standardfaser (90%)

Herstellung:

• Düsenziehverfahren

• Trommelziehverfahren

• Stabziehverfahren

Grunddaten:

Merkmale:

• 2D kovalente Bindungen

• 100% Parakristallin

• Schichtförmig

• hohe Orientierung

• resistent gegen

  • Feuchtigkeit

  • Lösungsmittel

  • Laugen

  • schwächere Säuren

• negativen thermischen Ausdehnungskoeffizient in Längsrichtung

• elektrischer Widerstand beträgt 10-20 x10^-6 Ohm

  
  

Eigenschaften:

• Hohe mech. Eigenschaften

• HT-Faser hochfest

• HM-Faser hochsteif

• HS-Faser hohe Bruchdehnug

• UHT-Faser ultra hochsteif

Herstellung:

• durch kontrollierte Pyrolyse

  • thermischen Abbau des Ausgangsmaterial

  • Ziel: Realisierung eines sehr hohen Kohlenstoffgehaltes

• Rohstoffe: PAN udn Peche sowie in geringem Umfang Viskose

Grunddaten:

Merkmale:

• 1D kovalente Bindung

• 100% Parakristallin

• sehr hohe Orientierung

Eigenschaften:

• organische Faser

• duktiles Verhalten

• bessere Bruchdehnung und Schlagzähigkeit als C-Faser

• höhere Festigkeit und Steifigkeit als Glasfaser

• schlechte Druckfestigkeit

• Exzellentes Dämpfungsverhalten, geringe Materialermüdung.

• Gute Chemikalien und Temperaturbeständigkeit.

• Geringe Wärmeleitfähigkeit.

• Negativer thermischer Ausdehnungskoeffizient wie die Kohlestofffasern, der auf die hohe molekulare Orientierung zurückgeführt werden kann.

• Isolation besser als bei Glasfaser.

• Feuchtigkeitsaufnahme, doch dieser Vorgang ist reversibel.

• Leichteste Verstärkungsfaser, ς = 1,45 g/cm3, hohe gewichtsbezogene Zugfestigkeit.

• Stark anisotrop, d.h. die Werkstoffeigenschaften in Faserrichtung unterscheiden sich von denen quer zur Faser.

• Reagieren auf energiereiche Strahlung (z.B. UV) mit deutlichem Festigkeitsabfall.

• Als anorganische Faser nicht besonders temperaturfest.

• Haftung schlechter als bei anderen Faser.

• Die Schlichte hat auf verschiedene Matrixsysteme weichmachende Wirkung.

• Ausgehärtete Bauteile aus aramidverstärktem Kunststoff lassen sich schlecht spanend bearbeiten.

Vorteile:

• geringe Dichte als Glasfaser

• geringes Splitterbruchverhalten

• geschlossener CO2 Kreislauf

• hohe Torsionschwingbelastbarkeit im gesamten Temperaturbereich

• Verfügbarkeit gewährleistet

Nachteile:

• Wasseraufnahme

• personalintensive Aufbereitung der Fasern

• Qualitätsschwankungen durch unterschiedliche Ernten und Anbaugebiete

• schwierige Bestimmung der mechanischen Faserkennwerte

• nur Matrixmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt verwendbar

Textilen Gebilde:

Wichtigen Begriffe:

• Schmelztemperatur

• Fließgrenze

• Glasübergangstemperatur

• Zersetzungstemperatur

• Viskosität der Schmelze

• Faserlänge/-dicke/-längenverteilung

• Faserorientierung

• Faserhalbzeug

• Gewichtsanteil

• Schwindung

• Kurzfaserverstärktes Granulat

• Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)

  • Langfaserverstärkte thermoplastisches Granulat (LFT-G)

  • Langfaserverstärkte Thermoplaste im Direktverfahren (LFT-D)

  • Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

  • Lightweight Reinforced Thermolastic (LWRT)

• Endlosfaserverstärkte thermoplastische Prepregs

  • UD-Tapes

  • Organobleche

Durchtränken / Benetzen der trockenen Faser durch Polymermatrix

Verdichtung (entfernung von gasförmigen Substanzen) und Generierung einer stoffschlüssigen Haftung zu benachbarten Schichten

Formpressen:

• Werkzeugbelegung 80-90%

• Material legt nur kurze Wege zurück und fließt dabei kaum bzw. nicht

• Daher geringe Presskräfte

• Füllung von Rippen und komplexen Geometrien schwierig

Fließpressen:

• Werkzeugbelegung 30-50%

• Material legt bei der Formfüllung Wege von 30-40 cm zurück

• Fließen erfordert höhere Presskräfte

• Füllung von Rippen und komplexe Geometrien realisierbar

• Je nach Einlegeposition ist eine Parallelhaltung der Presse erforderlich

• Reduierter Verschnitt

• Beliebige Faserorientierung

• Keine Faserondulation

• Graduelle Dickensprünge möglich

Bei hybriden Thermoplast Faserverbundkunststoffen werden die positiven Eigenschaften der unterschiedlichen Faserlängen kombiniert, dies führt zu:

• Erweiterung des Leichbaupotentials durch Anwendung unterschiedlicher Bauweisen

• Redktion der Kosten

  • Material

  • Montageaufwand

1. Abwickeln von Spule

2. Zuschneiden und Stapeln -> Zuschnittgröße meist zwischen 40-70% projizierten Werkzeugfläche

3. Einlegen in beheiztes Fliespresswerkzeug -> Werkzeugtemperatur 140-160 C

4. Formgebung mittels Fliespressen -> Hydraulische Presse

5. Forminnendruck ca. 100 bar

6. Härtezeit 1-3 min.

7. Entformen und Entgraten

8. Grundieren -> Entfällt bei In Mold Coating

9. Lackierung

• Thermisches Recycling -> Pyroliyse (konvernitionell, …)

• Chemisches Recycling -> Hydrolyse , Gyrolyse

• Mechanisches Recycling -> Mittel- , Feinzerkleinerung