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Faserverstärkte Kunststoffe

Einordnung Faserverstärkter Kunststoffe

Der Begriff „Faserverstärkte Kunststoffe“ oder „Faser-Kunststoff-Verbunde“ (FKV) stellt eine Synonym für eine äußerst heterogene Werkstoffgruppe dar, die von der Art der Faserverstärkung und des Faservolumenanteils, den möglichen Matrixwerkstoffen, verschiedensten Herstellungsverfahren und der eingestellten oder erzeugten Faserorientierung geprägt wird. Diese Werkstoffgruppe wird den Faserverbundwerkstoffen zugeordnet, die im Allgemeinen selbst zur Werkstoffklasse der Verbundwerkstoffe (siehe auch: Prüfung von Verbundwerkstoffen) mit beliebigem Matrix- und Verstärkungswerkstoff zugehören.
Grundsätzlich stellt ein Faser-Kunststoff-Verbund eine Kombination aus beliebigen Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix dar, die die Fasern einhüllt und mittels adhäsiver oder kohäsiver Wechselwirkung eine Kraftübertragung zwischen den Verbundpartnern ermöglicht. Da die meisten Kunststoffe aufgrund geringer Festigkeiten, hoher Bruchdehnung und Schrumpfverhalten (siehe Schrumpfversuch) infolge der viskoelastischen Eigenschaften (Thermoplaste) oder sehr niedrigen Bruchdehnungen und sprödem Bruchverhalten (Duroplaste) nicht für konstruktive Applikationen geeignet sind, stellt die Verstärkung mit Fasern oder das Füllen mit Partikeln eine ökonomische Variante zur Erzeugung von Konstruktionswerkstoffen dar. Aufgrund der Variabilität von Fasern und Matrixwerkstoffen lassen sich die Eigenschaften der Verbunde in einem weiten Rahmen gezielt einstellen (Werkstoffe nach Maß), wodurch Anwendungen im Leichtbausektor für die Flugzeug- und Automotive-Industrie erst ermöglicht wurden. Unabhängig von der Art der Verstärkung und der gewählten Matrix besitzen faserverstärkte Kunststoffe hohe spezifische Festigkeiten und E-Moduli (Kennwert bezogen auf die Dichte), aber sie besitzen in der Regel auch eine hohe Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Grundlegend gilt für alle faserverstärkten Kunststoffe, dass die Fasern die lasttragende Funktion im Verbund übernehmen, während die Matrix eine Bettungs- und Schutzfunktion ausübt, um z. B. bei Normalbeanspruchung der Fasern das EULER'sche Ausknicken zu verhindern. Die Fasern werden mit einer sogenannten Schlichte, die im Fertigungsprozess das Verkleben der Fasern verhindert, und einem Haftvermittler (siehe auch Faser-Matrix-Haftung) versehen. Die Matrix muss einen Koppler, z. B. Maleinsäureanhydrid, enthalten. Die Schlichte und der Koppler bilden das Interface zwischen Matrix und Faser und Übertragen die Lastspannung im Volumen über Schubspannungen (siehe: Biegeversuch Schubspannung) in der Grenzfläche auf die Faser, die dann mit einer Normalspannung reagiert, wenn sie näherungsweise in der Belastungsrichtung orientiert ist. Für einen effizienten Verbundwerkstoff hinsichtlich Festigkeit und Elastizitätsmodul sind neben der Fasergeometrie (l/d-Verhältnis) und dem -volumenanteil folgende Regeln zu beachten:


 E_{F} > E_{M} \! (1)


 \epsilon_{BF} < \epsilon_{BM} \! (2)


 \sigma_{MF} < \sigma_{MM} \! (3)

mit Index

F Faser
M Matrix

Arten von Verstärkungsfasern

In den faserverstärkten Kunststoffen werden organische und anorganische Fasern (z. B. Glasfasern (GF), Mineralfasern (MF), Kohlenstofffasern (CF) oder Naturfasern (NF)) als eindimensionale (z. B. Fasern, Rovings), zweidimensionale (z. B. Gewebe, Gelege) oder dreidimensionale (Laminate) Verstärkungsstrukturen eingesetzt.

Die wichtigsten anorganischen amorphen Fasern sind die Mineralfasern (MF) und die Glasfasern (GF) wobei speziell folgende Arten für thermo- und duroplastische Verbunde verwendet werden:

  • Glasfasern (E-Glas)
  • Basaltfasern
  • Borfasern oder
  • Keramikfasern

Die organischen Fasern besitzen infolge der zumeist hohen Orientierung auch eine große Anisotropie der elastischen Eigenschaften und der Festigkeit bei einer eingeschränkten Wärmeformbeständigkeit. Diese Fasern werden bevorzugt bei thermoplastischen aber auch für duroplastische Verbundkunststoffe z. B. Kohlenstofffasern (CF) eingesetzt:

  • Polyaramid-Fasern (Aramidfasern, AF)
  • Kohlenstofffasern (CF, hochfest, hochmodulig)
  • Polyester-Fasern
  • Polyamid-Fasern (Nylon)
  • Polyethylen-Fasern
  • Polymethylmethacrylat-Fasern (Acrylat- oder Plexiglasfasern)

Für faserverstärkte Kunststoffe werden auch zunehmend Naturfasern (NF) eingesetzt, obwohl ihre mechanischen Eigenschaften auch infolge der geringen Dichte vergleichsweise niedrig sind und sie somit nicht als Hochleistungsverbundkunststoffe genutzt werden können. Sie werden zumeist nur für thermoplastische Kunststoffe als Verstärkungs- oder Füllstoff (z. B. WPC-Wood Polymer Compound) verwendet. Die wichtigsten nachwachsenden Verstärkungsfasern sind:

  • Flachs-Fasern
  • Hanf-Faser
  • Holz-Fasern
  • Sisal-Fasern

Unabhängig von der Art der Fasern und ihrer Geometrie werden folgende von der Faserlänge abhängige Klassifizierungsmerkmale verwendet.

  • Kurzfasern mit 0,1 ≤ L ≤ 1 mm für thermoplastische Faserverbunde (Spritzguss, Extrusion)
  • Langfasern mit 1 ≤ L ≤ 50 mm für thermo- und duroplastische Faserverbunde (Spritzpressen, Faserspritzen)
  • Endlosfasern mit L > 50 mm für duroplastische Faserverbunde (Rovings, Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Gesticke)

Faserverstärkte Kunststoffe

Thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe

Als thermoplastische Matrixwerkstoffe sind fast alle amorphen und teilkristallinen Kunststoffe verwendbar, wobei die Effizienz der Verstärkung jedoch sehr unterschiedlich sein kann. Vorteil der meisten thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffe sind die Vielfalt der Herstellungs- und Formgebungsverfahren sowie die Schweiß- und Klebbarkeit. Nachteilig ist bei diesen Faser-Kunststoff-Verbunden, dass sie beim Erreichen der Glastemperatur Tg erweichen und schrumpfen. Mit ansteigendem Faservolumenanteil nimmt jedoch die Kriech- und Schrumpfneigung (siehe auch Schrumpfversuch) dieser Werkstoffe ab, wobei infolge der Orientierung aber ein anisotropes Steifigkeits-, Festigkeits- und Deformationsverhalten auftritt. Geeignete thermoplastische Matrixwerkstoffe sind z. B.:

Für Hochtemperaturanwendungen bis maximal 300 °C sind die folgenden Thermoplaste als Matrix einsetzbar:

Duroplastische faserverstärkte Kunststoffe

Faser-Kunststoff-Verbunde auf duroplastischer Basis können kalt- oder heißhärtende Systeme sein, die sich nach dem Aushärten nicht mehr umformen lassen, wobei jedoch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Sägen oder Fräsen genutzt werden können. Für die Herstellung von komplexen Bauteilen mit definierten Hauptbeanspruchungsrichtungen werden of vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge wie z. B. SMC (Sheet Molding Compound), BMC (Bulk Molding Compound) oder Prepregs (Preimpregnated Fibers) verwendet. Als duroplastischen Matrixwerkstoffe werden die nachfolgend aufgeführten Harze verwendet.


Literaturhinweise

[1] Altstädt, V.: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 547–600 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landoldt Börnstein. Volume VIII/6A2, Springer Verlag, Berlin (2014) (ISBN 978-3-642-55166-6; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)
[3] Elsner, P., Eyerer, P., Hirth, T. (Hrsg.) Domininghaus – Kunststoffe, Eigenschaften und Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2012) 8. Auflage, (ISBN 978-3-446-44350-1)
[4] Schürmann, H.: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer Verlag, Berlin (2007) 2. Auflage (ISBN 978-3-540-72190-1)
[5] Neitzel, M., Mitschang, P., Breuer, U.: Handbuch Verbundwerkstoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung. Carl Hanser Verlag, München (2014), (ISBN 3-446-43696-1)
[6] Ehrenstein, G. W.: Faserverbund-Kunststoffe. Carl Hanser Verlag, München (2006), (ISBN 978-3-446-22716-4)
[7] Erhard, G.: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser Verlag, München (2008) 4. Auflage (ISBN 978-3-446-41646-8)
[8] Ehrenstein, G. W.: Mit Kunststoffen konstruieren. 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2007) 3. Auflage (ISBN 978-3-446-41322-7)
[9] Ehrenstein, G. W.: Polymerwerkstoffe – Struktur – Eigenschaften – Anwendung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 3. Auflage (ISBN 978-3-446-42283-4)