Verstärkungsfasern

Steigerung von:

• Steifigkeit und Festigkeit

• Warmforbeständigkeit

• Kerbempfindlichkeit

• Anisotropie

• Verzugsneigung (häufig)

• Werkzeugverschleiß bei der Ver- und Bearbeitung

Senkung von:

• Wärmedehnung

• Kriechneigung

• Gleiteigenschaften

• Verformbarkeit

• am häufigsten verwendete Verstärkungsfaser

• 3-dimensionale Vernetzung über kovalente Bindungen

• Amorphe Struktur

• Isotrope Eigenschaften

• Dichte: 2,52 g/cm^3

• Zugfestigkeit: 3.000 N/mm^2

• E-Modul: 74 kN/mm^2

• Filamentdurchmesser: 10-25 µm

• kein viskoeleastisches Verhalten

• Untrennbar

• Resistent gegen organische und einige anorganische Säuren

• Keine Eigenschaftsänderung bis Temperaturen von ca. 250°C

• Isotrope Eigenschaften

• Relativ günstig

• Meist 10-20 µm Durchmesser

• Häufige Tex Nummern sind 600, 1200, …

• Durchlässig für Radarstahlung

E-Glasfasern wurden ursprünglich für elektrische Anwendungen entwicklet. Daher besteht sie hauptsächlich aus alkaliarmen Silikatglas, das neben Siliziumoxid in erster Linie noch Calcium-, bzw. Magnesium-, Aluminium- und Boroxide enthält.

Diese Bestandteile werden aus der Schmelze über einen Gravitationspinnprozess zu Filament verarbeitet.

Vorteile:

• Gute spezifische Eigenschaften

• Gute Haftung an Harzen -> geeignete Schlichte dennoch notwendig

• Wasser- und Feuerfestigkeit

• Geringe Wärmeausdehnung

• Geringe elektrische Leitfähigkeit

• Gute Dielektrizitätseigenschaften

• Preiswert

• Viel Erfahrung in Herstellung und Handhabung in der Industrie vorhanden

Nachteile:

• Relativ geringer E-Modul

• Alterung bei längerem Wasserkontakt

• Empfindlich gegen basische Umgebung Spröde

E:

• Hautsächlich Siliziumocid mit Ca-/Mg-/Al-/B-Oxiden

• Gute elektrische Eigenschaften

• Oft auch als Verstärkungsmaterial in Schaltkreisen

• Gebräuchlichste Glasfaser (90-95% der Anwendungen)

R und S:

• S-Glas ohne Ca/Na/B, dafür mit Aluminiumoxid

  • Höhere Festigkeit und Steifigkeit bei gringerer Dichte

  • Im großflugzeugbau und für Raumfahrtanwendungen

  • Wesentlich teurer als E-Glas

• R-Glas mit mehr Calciumoxid

  • Nochmals höhere Steifigkeit, jedoch bei höherer Dichte

  • Nur für spezielle Einsatzzwecke geeignet

• Ausgangsstoff ist SiO_2

  -> Zusatzstoffe wie Aluminiumoxid, Kalk, Boroxid

• Zusatzstoffe beeinflussen den entsprechenden Fasertyp

Herstellung von Direktrovings und Schnittfasern:

Glasfasermattenherstellung im Luftblasverfahren:

• Häufigster Fasertyp im Bereich der Hochleistungsverbundwerkstoffe

• 2-dimensionaler, schichtförmiger Aufbau

• Kovalente Bindungen nur in der Ebene

• Parakristallin (100%)

• Hohe Orientierung

• Rovings üblicherweise mit 3.000-24.000 Filamenten erhältlich (3k bis 24k)

• Festigkeitsverlust bei HM-Fasern durch die Anzahl und Größe der Fehlstellen bedingt

• Schlichte und Anrauhung der Oberfläche verbessern Haftung in der Matrix

• Gute Biokompatibilität (Implantate)

• Unempfindlich gegen Korrosion, Lösungsmittel, Laugen und schwache Säuren

• Knickempflindlich und spröde

  • Oberflächenschutz nötig

• Geringe Dichte von 1,6-2,0 g/cm^3

• E-Modul steigt mit zunehmender Belastung (progressiv)

Vorteile:

• sehr gute spezifische Eigenschaften

• Temperaturbeständig bis 2.000°C

  • Außer in oxidierender Atmospäre

• Keine Wärmedehnung in Längsrichtung

  • Leicht negativer (!) Wärmeausdehnungskoeffizient

• Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit in Faserrichtung

• Korrosionsbeständig

Nachteile:

• Sehr hoher Preis

  • 20-500 €/kg

• Schlag- und Abriebfestigkeit gering

• Haftung auf Harzen schwierig umsetzbar

• Unbeständig bei hohen Temperaturen in oxidierender Umgebung

• LM - Low Modulus

• IM - Intermediat Modulus

• HM - High Modulus

• UHM - Ultra High Modulus

• HT - High Tensile Strength

• HST - High Strain

• Precursor als Ausgangsstoffe

  • Vor allem Polyacrylnitril (PAN) in Verwendung

  • Auch Rayon/Viskose und Pech möglich

• Nachteil von Rayon

  • Besteht aus Zellulose und verliert bei Verkokung 3/4 der Masse

  • Dadurch kein Preisvorteil mehr gegenüber PAN

• Verfahrensparameter und Ausgangsstoff beeinflussen wesentlich die späteren Eigenschaften der C-Faser

• Stabilisieren

  • Oxidative und/oder chemische Behandlung mit/ohne Faserverstreckung

  • Temperatur zwischen 180-300°C

• Carbonisieren

  • Thermischer Abbau des stabilisierten, unschmelzbaren Faserzwischenprodukts

  • Verkokung und Nachverkokung bei Temperaturen zwischen 300-1600°C

  • HT-Fasern als Produkt

• Graphitieren

  • Hochtemperaturbehandlung mit/ohne Faserverstreckung

  • Temperaturen zwischen 1600-3000°C

  • HM-Fasern als Produkt

Ausgangsmaterial: ca. 68% C, 6% H, 24% N

Vorteile:

• hohe Festigkeit

• allgemein gute mechanische Eigenschaften

Nachteile:

• Kohlenstoffausbeute lediglich <50%

• Precursor teuer, weil die Herstellung sehr aufwändig ist

  • Zunächst spinnen des Precursors aus Lösungsmittel heraus (lineare Ketten)

  • Streckungsprozess bei ca. 200-220°C über 30-100 min hinweg (Erhöhung der Molekülorientierung)

Ausgangsmaterialien: ca. 94% C, 4% H, 1% N, 0,6% O

Vorteile:

• Kohlenstoffausbeute >80%

• Precursor billiger und einfach in der Herstellung

  • Schmelzspinnverfahren

  • Steckungsprozess -> bereits hochorientiert aromatisch

Nachteile:

• Geringere Festigkeit

• Precursor-Fasern spröde und leicht zerbrechnlich -> Stabilisierungsproblem (!)

• Organische Hochleistungsfaser

• 1-dimensionaler, kettenförmiger Aufbau

• Kovalente Bindungen in den Ketten

• Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals Kräfte zwischen den Ketten

• Parakristallin (100%)

• Sehr hohe Orientierung

• Geringe Wärmeleitfähigkeit

• Bessere Isolation als Glasfasern

• Feuchtigkeitsaufnahme -> ist allerdings reversibel

• Gute Chemikalien- und Tempaeraturbeständigkeit

• Sehr gutes Ermüdungs- und Dämpfungsverhalten -> Duktiles Versagen

• Geringste Dichte der Verstärkungsfasern (1,45 g/cm^3)

• UV empfindlich

• Vor allem bei Zugbeanspruchung sehr gut einsetzbar -> Stark ausgeprägte Druckempfindlichkeit

Vorteile:

• Sehr gute spezifische Eigenschaften

• Sehr gute Dämpfungseigenschaften

• Keine Wärmedehnung in Längsrichtung -> ebenfalls negativer (!) Wärmeausdehnungskoeffizent

• Sehr gute Schlagzähigkeit

• Sehr gutes Ermüdungsverhalten

• Elektromagnetisch transparent

Nachteile:

• Sehr hoher Preis

• Relativ geringe Druckfestigkeit

• Feuchtigkeitsaufnahme

• Schlechtere Harzanhaftung

• UV empfindlich

• Nur bis 400°C Feuer- und Hitzebeständig

• Schlecht spanend bearbeitbare Halbzeuge

• Notwendige Schlichte hat auf viele Matrixwerkstoffe eine weichmachende Wirkung

• LM - low modulus, für Kabel und ballistische Schutzwesten

• HM - high modulus, als Fasern in Hochleistungsverbunden

• Ausgangsstoff ist Poly-Para-Phenylen-Tetraphtalamid -> dieser wird in konzentrierter Schwefelsäure als flüssig-kristalline Lösung versponnen

• Reckvorgang bei erhöhter Temperatur um die axiale Orientierung zu steigern

• Einzelfilamente mit ca. 12 µm Durchmesser

• Struktur besteht aus aromatischen Polyamidketten -> über Wasserstoffbrücken in paralleler Anordnung fixiert

• Borfaser

• Polymerfasern

• Naturfasern

  • Pflanzlich -> Baumwolle, Flachs, Hanf, Holz, Jute, Kenaf, Kokos, Sisal

  • Tierisch -> Wollarten, Tierhaare, Seiden

  • Mineralisch -> Asbest

Zunehmendes Interesse aus ökologischen Gründen -> auf den ersten Blick neutrale CO2 Bilanz

Durch Anbau / Ernte / Lagerung / Verarbeitung aber auch bei Natrufasern Verbrauch von fossilen Brennstoffe

Flachs:

• Synonym für Leinenfasern

• Herstellung aus dem Stiel der Flachspflanze

• Technische Fasern sind relativ steif und reißfest bei gleichzeitig geringer Dichte

• Spezifische Eigenschaften vergleichbar zu Glasfasern

• Gute Verfügbarkeit

• Günstiger Preis

• Anwendung vor allem in der Automobilindustrie

Hanf:

• Herstellung aus dem Bast der Hanfpflanze

• Geringere mechanische Eigenschaften als Flachsfasern

• Geringere Dehnbarkeit

• Anwendungsbereiche und Verarbeitung analog zu Flachsfasern möglich

Sisal:

• Herstellung aus den Blättern der Sisal-Agave

• Anwendung noch nicht im großindustriellen Maßstab

• Hohe Reiß- und Scheuerfestigkeit

• Gut einfärbbar

• Sehr gute Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit

• Geringere Dichte als Hanf- und Flachsfasern

• Geringere mechanische Eigenschaften

• Zu wenig Erfahrung der Anwender mit den Materialien

• Kontinuierliche Qualität noch nicht gewährleistbar

• Preise im Verhältnis zum Nutzen noch zu hoch

• Liefersituation nicht sicher genug

weitere Nachteile:

• Erhöhte Wasseraufnahme

• Aufwändige Faseraufbereitung

• Chargenschwankungen durch unterschiedliche Erntequalitäten

• Schwierige Bestimmung exakter mechanischer Kennwerte

• Nur Matrixmaterialien mit niedriger Schmelztemperatur verwemdbar