K9: Faserverbundwerkstoffe

• kombination von 2+ Materialen die in Verbesserung der Eigenschaften resultiert
• jede Komponente behält ihr physikalischen und chemischen Eigenschaften
• resultierendes Material daher heterogen

• synergetische Nutzung der Vorteile beider Bestandteile
• hohe spezifische Steifigkeit/Festigkeit (kann gezielt an Lastfall angepasst werden)
• gute Korrosions- und chemische Beständigkeit
• gute Ermüdungseigenschaften

• geringes Gewicht bei gleichzeitig guter Steifigkeit/Festigkeit
• gezielte Auslegung auf wenige Lastrichtungen
• hohe Design-Freiheit auch bei komplexen aerodyn. Formen
• sehr gute Schadenstoleranz
• sehr gute Ermüdungseigenschaften

• höhere Steifigkeit verbessert Performance
• gute Speicherung K.E
• keine/kaum plastischer Verformung

• hohe Lebensdauer auch bei extremen Lastspielzahlen (mehr als 30 Jahr)
• ca. 10^8 Lastspiele

• dienen als Verstärkung
• hochfeste Fasern tragen mech. Lasten
• definieren Steifigkeit des Verbundes
• bestimmen Zug-/Druck- Festigkeit

• wirkt formgebend
• erzeugt zusammenhalt zwn. Einzelfasern
• stützt Fasern unter Druckbelastung (verhindert ausknicken)
• benötigt für Schubfestigkeit/-steifigkeit
• bestimmt chemische Resistenz
• bestimmt thermische Stabilität

Steifigkeitserhöhung, wenn:

• E_f > E_m

Festigkeitserhöhung, wenn:

• R_f > R_m
• ε_m,B > ε_f,B

• Matrix übernimmt Last
• Fasern nur minimale Unterstützung
• Matrix versagt vor Faser ==> Stützwirkung geht verloren

• Matrix versagt vor Faser ==> Stützwirkung geht verloren
• Fasern nicht voll ausgelastet

1) Filament-/Faserdurchmesser:

• je kleiner der Durchmesser, desto größer die Faserfestigkeit

2) Faser-Matrix Haftung:

• ausgedrückt durch Schubfestigkeit der F-M Grenzfläche

3) Länge der eingesetzten Fasern:

• je länger die Fasern, desto besser die Verstärkungswirkung
• weniger Oberfläche, geringere Lasteinteilung

4) Menge der zugesetzten Fasern:

• gemessen durch den Faservolumengehalt

5) Faserorientierung:

• ungeordnete Fasern führen zu geringerer Festigkeitssteigerung
• gerichtete Fasern erhöhen Festigkeit in Faserrichtung deutlich

Spröde Werkstoffe (z. B. Keramiken, Gläser, Kohlenstofffasern) brechen meist nicht durch plastische Verformung, sondern durch Fehlstellen (Risse, Mikroporen etc.).

Je mehr Fehlstellen, desto niedriger die Festigkeit.

Fehlstellenverteilung ist statistisch:

• In dicken Körpern: viele Defekte, kleine Abstände
• In dünnen Fasern: wenige Defekte, große Abstände

Bruchwahrscheinlichkeit sinkt mit kleinerem Durchmesser

„Durch massive Reduktion der Fehlstellen in den Fasern wird annähernd die molekulare Festigkeit des Werkstoffs nutzbar!“

Die Verbindung zwischen Faser und umgebender Matrix erfolgt über Schubspannungen an der Grenzfläche → bezeichnet durch τ_FMB

Die Kraft wird über die Matrix in die Faser eingeleitet.

Nur wenn die Last vollständig über τ_FMB in die Faser übertragen wird, kann diese ihre maximale Festigkeit erreichen.

Dies ist nur möglich, wenn die Faser länger als die kritische Länge l_f,krit ist

F-M Schnittstelle bricht, bevor Fasern volle Lasttragefähigkeit erreicht haben

• Volumenprozent der Fasern am Gesamtvolumen
• Annahme: keine Poren vorhanden sind
• wird meist durch Halbzeug und Fertigungsprozess bestimmt
• tech. relevante: V_f = 30 und 70%
• alle Eigenschaften werden auf den Faservolumengehalt bezogen

• Masseprozent der Fasern am Gesamtmasse
• seltener gebräuchlich im Berechnungsalttag, da Eigenschaften vom V_f bestimmt werden
• leichter, experimentell zu bestimmen

In Faserrichtung:

• wie Parallelgeschaltete Federn
• Steifigkeiten addieren sich
• hohe Fasersteifigkeit ==> schnelle Steigerung bei steigendem V_f

Orthogonal zur Faserrichtung:

• wie seriell geschaltete Federn
• Steifigkeiten nicht einfach addiert
• trotz hoher Fasersteifigkeit nur geringe Steigerung
• Matrixverhalten ist dominant

Fasern sind die lasttragenden Bestandteile → ihre Orientierung bestimmt die Steifigkeit und Festigkeit des Werkstoffs.

0° (faserparallel):

• maximale Steifigkeit/Festigkeit
• E-Modul und Festigkeit durch Faser definiert

90° (fasersenktrecht):

• minimale Steifigkeit/Festigkeit
• Eigenschaften durch Matrix dominiert

Zwischenwinkel:

• stark nichtlineares Verhalten
• z. B. bei 10° schon drastischer Eigenschaftsverlust

Die Faserausrichtung muss zur Belastung passen, um mechanische Leistung zu optimieren und Gewicht zu minimieren.

• anorganische Faser
• hohe Festigkeit beruht auf SiO2-Bindung
• amorphe Struktur ==> isotrope Eigenschaften
• hohe Zug- und Druckfestigkeit
• hohe Bruchdehnung
• geringer Steifigkeit ==> gute Drapierbarkeit
• thermisch und elektrisch isolierend
• gute chemische Beständigkeit
• niedriger E-modul

• Faservorprodukt: Polyacrylnitril (PAN)
• Festigkeit beruht auf starker Graphitbindung
• Ausrichtung der Graphitebenen steigert E-Modul
• geringe Dichte
• extrem hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit
• sehr gute Ermüdungsfestigkeit
• sprödes Bruchverhalten
• Impact-Schäden schwer zu detektieren
• Radien müssen größer sein, wie bei Glasfasern
• sehr hohe Faserpreis
• Druckfestigkeit geringer als Zugfestigkeit
• negative Wärmedehnung
• gute elektrische Leitfähigkeit
• hohe Elektronegativität

• Polymerfaser
• aromatisches Polyamid (Aramid), dass als flüssig-kristalline Lösung versponnen wird
• Rissstopper oder ballistischer Schutz
• sehr geringe Dichte
• E-Modul Aramid = 2x E-Modul Glas
• Zugfestigkeit > Glas
• strukturelle Dämpfung > Glas- und Kohlenstofffaser
• Zähigkeit ist Hauptvorteil
• sehr geringe Druckfestigkeit
• Faser nimmt Feuchtigkeit auf
• schlechte UV-Beständigkeit
• schwierige Bearbeitung des Composite

• künstlich hergestellt
• zeigen plastisches Verhalten
• hoher Energieabsorption bis zum Bruch
• elektrische Leitfähigkeit

• thermoplastischer Kunststoff
• Polymerisation oder Polykondensation, je nach Polyamidform
• Einsatz: Bekleidung, Fallschirme, 3D Druck
• preisgünstig
• aufschmelzbar
• vergleichsweise geringe mech. Eigenschaften
• hohe Kriechneigung
• hohe Verarbeitungstemp.

• isotrop oder transversal isotrop
• Einsatz im Wickeln, Flechten und Pultrudieren
• gezielte Ausrichtung zur Lastaufnahme

• niedriger Faservolumenanteil
• niedriger E-Modul und Festigkeit
• geringe mech. Eigenschaften ==> selten als Verstärkung vorgehen

Schnittmatte:

• aus geschnittenen Fasern aufgebaut
• regellose Verteilung
• mech. oder chemisch gebunden

Endlosmatte:

• endlose Faser wird regellos zu Matte abgelegt
• meist mit Binder fixiert

• alle Fasern mit gleicher Ausrichtung
• Fasern liegen gestreckt vor
• max. Leichtbaupotenzial bei gezielter Anpassung auf vorhandene Lastfälle

• zwei Faserrichtungen, 90° zu einander
• Fasern verwebt
• Ondulation(Ripple) reduziert Steifigkeit/Festigkeit
• oft eingesetzt, gut handab- und drapierbar

• kombinieren Vorteile von UD und Gewebe
• keine Verwebung ==> mehrere Faserrichtungen aber keine Ondulationen
• Faserlagen werden vernäht
• häufig als quasi-isotrop Aufbauten erhältlich
• gezielter Aufbau möglich