Viele Branchen stehen derzeit vor einem gemeinsamen Problem: Sie benötigen Materialien, die sowohl stark als auch flexibel und dennoch leicht sind. Verbundwerkstoffe können dieses Problem lösen. Sie können die Stärken verschiedener Materialien kombinieren, um bessere und effektivere Ergebnisse zu erzielen. Verbundwerkstoffe werden in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilherstellung und dem Bauwesen häufig eingesetzt. Was ist Verbundwerkstoff?

Diese Materialien entstehen durch die Mischung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Substanzen, von denen jede ihre eigenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften besitzt. Wenn sie miteinander verbunden werden, entsteht ein neues Material mit verbesserten Eigenschaften. Dadurch kann dieses neue Material im Vergleich zu den ursprünglichen Substanzen stärker, leichter oder widerstandsfähiger gegen Kräfte sein.

Sind Sie neugierig auf Verbundwerkstoffe und ihre Typen? Lassen Sie uns herausfinden, was diese Materialien einzigartig macht und wie sie in verschiedenen Branchen eingesetzt werden.

Was ist Verbundwerkstoff?

Um einen Verbundwerkstoff herzustellen, kombinieren Ingenieure zwei verschiedene Materialien, von denen jedes seine eigenen, einzigartigen Eigenschaften hat. Diese Kombination führt zu einem neuen Material mit Eigenschaften, die das Originalmaterial nicht aufweist. Sie entwickeln dieses neue Material so, dass es bestimmte Funktionen erfüllt, z. B. stärker, leichter oder widerstandsfähiger gegen Elektrizität ist. Darüber hinaus können Verbundwerkstoffe sowohl die Festigkeit als auch die Steifigkeit verbessern.

Kurze Geschichte des Verbundwerkstoffs

Die Menschen begannen schon vor vielen Jahren, Verbundwerkstoffe zu verwenden. Bereits 3400 v. Chr. stellten die Mesopotamier die ersten künstlichen Verbundwerkstoffe her. Sie klebten dünne Holzstücke in verschiedenen Winkeln zusammen, um ein stärkeres Sperrholz herzustellen. Später, um 2181 v. Chr., stellten die alten Ägypter Totenmasken her. Sie verwendeten Leinen oder Papyrus und bedeckten es mit Gips. Beide Gesellschaften fügten auch Stroh hinzu, um andere Materialien wie Lehmziegel, Töpferwaren und Boote zu verstärken.

Um 1200 n. Chr. entwickelten die Mongolen einen leistungsstarken Compoundbogen. Für die Herstellung kombinierten sie verschiedene Materialien, darunter Holz, Sehnen, Horn, Bambus, Knochen und Seide. Sie verwendeten Terpentin als Klebstoff, um alle Teile zusammenzuhalten, wodurch eine äußerst effektive Waffe entstand.

Moderne Fortschritte bei Verbundwerkstoffen

Nach der industriellen Revolution wurden Kunstharze durch den Polymerisationsprozess fest, was im 20. Jahrhundert zur Herstellung verschiedener Kunststoffe führte. Leo Baekeland erfand das Phenolharz, das aufgrund seiner nichtleitenden und hitzebeständigen Eigenschaften sehr beliebt war. In den 1930er Jahren führte Owens Corning Glasfasern ein und war Pionier der FRP-Industrie (faserverstärkter Kunststoff). Die damals hergestellten Harze entwickelten sich stark weiter und werden noch heute verwendet. Zwei Jahre später kam ein stärkeres Harzsystem auf den Markt.

Die nachhaltige Wirkung von Verbundwerkstoffen

Die erste Kohlefaser wurde 1961 patentiert und gewann allmählich an Popularität in kommerziellen Anwendungen. Mitte der 1990er Jahre gewannen Verbundwerkstoffe in Branchen wie Fertigung und Bauwesen an Popularität. Sie sind billiger und stärker als alte Materialien. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Boeing 787 Dreamliner Mitte der 2000er Jahre demonstrierte ihren Wert weiter. Es zeigt ihre Bedeutung für Anwendungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, was sie zu einer Notwendigkeit für moderne Anwendungen macht.

Woraus bestehen Verbundwerkstoffe?

Verbundwerkstoffe werden auch als faserverstärkte Polymerverbundstoffe (FRP) bezeichnet. Hersteller stellen sie mithilfe einer Polymermatrix her. Sie verstärken diese Matrix mit technischen, synthetischen oder natürlichen Fasern, die Materialien wie Glas, Kohlenstoff oder Aramid enthalten können. Darüber hinaus können sie andere Materialien verwenden, um die Festigkeit des Verbundwerkstoffs zu erhöhen.

Die Matrix spielt eine wichtige Rolle. Sie schützt die Fasern vor Umweltschäden und anderen äußeren Einflüssen und erleichtert gleichzeitig die Lastübertragung zwischen ihnen. Andererseits verleihen die Fasern Festigkeit und Steifheit. Sie unterstützen die Matrix und sorgen dafür, dass sie Rissen und Brüchen widersteht.

Bei zahlreichen Produkten unserer Branche verwenden Hersteller häufig Polyesterharz als Matrix und Glasfaser als Verstärkungsmaterial. Sie können jedoch auch Verbundwerkstoffe mit verschiedenen Kombinationen aus Harz und Verstärkung herstellen, wobei jede Kombination die besonderen Merkmale und Eigenschaften des Endprodukts auf einzigartige Weise beeinflusst. Obwohl die Faser stark ist, neigt sie dazu, leicht zu brechen, sodass sie Festigkeit und Steifheit verleiht. Gleichzeitig formt und schützt das flexible Harz die Faser.

FRP-Verbundwerkstoffe können auch Füllstoffe, Additive und Kernmaterialien enthalten. Sie können sogar Oberflächenbehandlungen aufweisen. Diese Zusätze werden verwendet, um den Produktionsprozess zu verbessern. Sie verbessern auch das Aussehen des Produkts und steigern seine Leistung.

Wichtige Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe haben viele besondere Eigenschaften. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie sehr vielseitig und funktionieren auch bei schwierigen und anspruchsvollen Anwendungen gut. Diese wichtigen Eigenschaften haben großen Einfluss auf ihre Wirksamkeit. Schauen wir uns nun die verschiedenen Eigenschaften an, die bei der Herstellung von Produkten sehr nützlich sind.

Stärke

Verbundwerkstoffe gelten als stärker als die einzelnen Materialien, aus denen sie bestehen. Sie erhöhen die Festigkeit und machen Strukturen stabiler. Daher sind Verbundwerkstoffe eine ausgezeichnete Option für Anwendungen, bei denen hohe Lasten getragen werden müssen.

Langlebigkeit

Verbundwerkstoffe können bei rauen Wetterbedingungen oder in korrosionsfördernden Umgebungen eingesetzt werden. Sie funktionieren auch bei wiederholter Belastung wie Stößen und Vibrationen gut. Dies macht sie ideal für den Einsatz in Raumfahrzeugen, Autos und Flugzeugen.

Schlagfestigkeit

Die Hersteller entwickeln diese Materialien so, dass sie Stöße aushalten und die Kraft verteilen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Diese Fähigkeit ist besonders bei Anwendungen, bei denen Stöße wahrscheinlich sind, von entscheidender Bedeutung. Ihre Fähigkeit, Schäden durch Zusammenstöße oder Schläge zu widerstehen, macht sie daher für Aufprallschutzstrukturen unverzichtbar.

Chemische Beständigkeit

Verbundwerkstoffe sind widerstandsfähig gegen Schäden durch starke Chemikalien oder raue Umgebungen. Daher eignen sie sich ideal für die Herstellung chemikalienbeständiger Beschichtungen. Sie werden auch in Geräten verwendet, in denen mit Chemikalien gearbeitet wird.

Flexibilität

Verbundwerkstoffe sind hochflexibel und können gebogen oder verformt werden, ohne zu brechen. Sie können auch so konstruiert werden, dass sie sich je nach Verwendungszweck auf bestimmte Weise biegen. Dadurch eignen sie sich gut für die Herstellung von Prothesen. Außerdem bietet ihre Flexibilität den Ingenieuren bessere Möglichkeiten für Dinge, die bewegten Lasten oder Vibrationen ausgesetzt sind.

Leichtgewicht

Diese Materialien sind robust, aber nicht schwer. Sie ermöglichen die Herstellung leichter Teile und Strukturen. Ihre Festigkeit im Verhältnis zu ihrem Gewicht ist eine wichtige Eigenschaft in Branchen, in denen Gewichtsreduzierung sehr wichtig ist.

Thermische Stabilität

Verbundwerkstoffe können ihre Form behalten, wenn sie großer Hitze ausgesetzt sind. Die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen stabil zu bleiben, ist sehr wichtig. Dies ist für Anwendungen erforderlich, bei denen sehr heiße Bedingungen herrschen.

Elektrische Leitfähigkeit

Verbundwerkstoffe können sehr gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Sie können so hergestellt werden, dass sie als gute Isolatoren wirken oder den Strom gut leiten.

Schalldämmung

Verbundwerkstoffe sind etwas Besonderes, weil sie das Durchdringen von Lärm reduzieren oder stoppen können. Diese schalldämmende Eigenschaft macht sie perfekt für Schallschutzzwecke.

Die 3 wichtigsten Vorteile von Verbundwerkstoffen Materialien

Verbundwerkstoffe werden häufig in Alltagsgegenständen verwendet. Wir finden sie in Autos, Golfausrüstungen und sogar in Rohren. Sie sind auch für hochentwickelte Maschinen wie Raketenschiffe sehr wichtig. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften bieten sie im Vergleich zu herkömmlichen Materialien mehr Vorteile. Ingenieure, Designer und Architekten verwenden Verbundwerkstoffe bevorzugt, insbesondere in schwierigen Situationen, in denen hohe Festigkeit oder Hitzebeständigkeit wichtig ist.

Kosteneffizienz

Verbundwerkstoffe sind kostengünstiger als herkömmliche Materialien wie Holz und Metall. Sie sind nicht nur billiger, sondern bieten auch eine bessere Funktionalität. Darüber hinaus sind Verbundwerkstoffe umweltfreundlicher. Denn bei ihrer Herstellung und Verwendung entsteht weniger Abfall.

Reduzierte Produktionszeit und -aufwand

Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Produktionsprozess lässt sich die für die Herstellung von Produkten benötigte Zeit verkürzen. Zudem verringert sich der Arbeitsaufwand für die Zusammenfügung verschiedener herkömmlicher Materialien.

Design Vielseitigkeit

Einer der Hauptvorteile von Verbundwerkstoffen ist ihre Flexibilität im Design. Ingenieure können sie in jede gewünschte Form bringen. Dadurch können sie mit diesen Materialien komplexe Teile und Komponenten herstellen.

Arten von Verbundwerkstoffen

Nachdem wir die allgemeinen Vorteile von Verbundwerkstoffen kennengelernt haben, wollen wir uns nun die unterschiedlichen Arten von Verbundwerkstoffen ansehen.

Natürliche Verbundwerkstoffe

Verbundtyp	Verstärkung	Matrix	Beispielanwendung
Holz	Cellulosefasern	Lignin (organische, kohlenstoffbasierte Polymere)	Baustoffe, Möbelbau etc.
Knochen	Kollagenfasern	Hydroxylapatit (kristallines Mineral auf Kalziumbasis)	Strukturelle Unterstützung innerhalb lebender Organismen
Beton/Ziegel	Strohhalm	Schlamm oder Lehm	Errichtung von Gebäuden, Infrastruktur wie Mauern etc.

Klassische Verbundwerkstoffe

In den 1930er Jahren kam der erste moderne Verbundwerkstoff auf den Markt: Glasfaser. Er ist auch als glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK oder GRP) bekannt. Im Laufe der Entwicklung wird GRP normalerweise in Form von Bändern geliefert, die zur Verwendung auf die Form geklebt werden, wobei Kunststoffbänder als Trägermaterial für die Glasfaser dienen. Die Glasfaser trägt zur Verstärkung des Materials bei. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CRFP oder CRP) ähneln GRP, verwenden jedoch Kohlenstofffasern.

• Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)

Grundlegende Einführung

Fiberglas war der erste moderne Verbundwerkstoff. Ursprünglich als „Fibreglas“ geschrieben, wird es heute allgemein als glasfaserverstärkter Kunststoff (GRFP oder GRP) bezeichnet. Dieses Material entstand in den 1930er Jahren.

Form und Zusammensetzung

Heutzutage bieten Hersteller Glasfasern häufig in Form von Bändern an, die der Benutzer auf die Oberfläche einer Form auftragen kann. Das Kunststoffträgerband dient als Matrix und hält die Glasfasern an Ort und Stelle. Die Glasfasern sorgen jedoch für den Großteil der Festigkeit des Materials.

Materialeigenschaften

Kunststoff ist von Natur aus weich und flexibel, während Glas zwar fest, aber spröde ist. In Kombination bilden sie ein Material, das sowohl stark als auch haltbar ist. Dieses Material ist ideal für Anwendungen wie Auto- oder Bootskarosserien. Im Gegensatz zu Metallen oder Legierungen ist es leichter und rostbeständig.

• Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CRFP oder CRP)

Verbindung zum GRP herstellen

Es ist GFK ähnlich.

Unterschied

Dabei kommen Carbonfasern statt Glasfasern zum Einsatz.

Moderne Verbundwerkstoffe

Moderne Verbundwerkstoffe werden im Allgemeinen aus Materialien wie Metall, Kunststoff (Polymer) oder Keramik hergestellt. Daraus ergeben sich drei Haupttypen von Verbundwerkstoffen: Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC), Polymermatrix-Verbundwerkstoffe (PMC) und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC).

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC)

Hersteller stellen die Matrix von MMC aus Leichtmetallen wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen zusammen. In der Produktion verwenden sie Keramik oder Kohlenstofffasern zur Verstärkung, wie mit Siliziumkarbid verstärktes Aluminium und mit Graphen verstärkte Kupfer-Nickel-Legierungen. Diese Materialien sind stark, hart, langlebig, rostbeständig und relativ leicht. Ihre hohen Kosten schränken ihre Verwendung jedoch ein. Sie sind in der Luft- und Raumfahrt, im Militär, in der Automobilindustrie und bei Schneidwerkzeugen beliebt.

Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe (CMC)

Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) verwenden ein keramisches Material wie Borosilikatglas als Matrix. Zur Verstärkung werden Kohlenstoff- oder Keramikfasern hinzugefügt, um die Sprödigkeit herkömmlicher Keramiken zu verringern. Beispiele für CMCs sind kohlenstofffaserverstärktes Siliziumkarbid (C/SiC) und siliziumkarbidverstärktes Siliziumkarbid (SiC/SiC).

Ursprünglich wurden CMCs für die Luft- und Raumfahrt sowie für militärische Anwendungen entwickelt, bei denen leichte Materialien und hohe Temperaturbeständigkeit entscheidend waren. Heute werden sie auch in Automobilbremsen, Kupplungen, Lagern, Wärmetauschern und sogar Kernreaktoren eingesetzt.

Polymermatrix-Verbundwerkstoffe (PMC)

PMCs wie GRP unterscheiden sich. In PMCs verbessern Keramik- oder Kohlenstofffasern die Festigkeit und Steifheit der Kunststoffmatrix, die thermoplastisch oder duroplastisch sein kann. Im Allgemeinen sind PMCs auf Duroplastbasis besser beständig gegenüber hohen Temperaturen und Lösungsmitteln, sind aber weniger robust und ihre Herstellung dauert länger. Sie eignen sich hervorragend für die Herstellung von Teilen für Autos, Boote und Flugzeuge. Hersteller verwenden sie häufig bei der Herstellung von Sportgeräten. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden häufig PMCs auf Epoxidbasis (duroplastisch) verwendet, und auch dort wächst die Bedeutung hochtemperaturbeständiger PMCs auf thermoplastischer Basis.

Anwendungen von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe werden in vielen Branchen eingesetzt und haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Hier sind einige Beispiele:

• Luft- und Raumfahrt

Die Verwendung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen hat zugenommen. Die B787 besteht beispielsweise zu 50 % aus Verbundwerkstoffen, wobei Kohlenstoff-Sandwichstrukturen, CFK-Laminate und Glasfaser verwendet werden. Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer besseren Festigkeit und Zugfestigkeit Aluminium vorgezogen.

• Automobilindustrie

Hersteller verwenden Verbundwerkstoffe in Sport- und Elektrofahrzeugen wegen ihrer Leichtbaueigenschaften, die die Leistung steigern und die Batteriereichweite verlängern. CFC-Teile können das Fahrzeuggewicht um 30 % reduzieren. Das Recycling von Kohlefasern hilft, Energie zu sparen und Emissionen zu senken.

• Marine

GF- und CF-Verbundwerkstoffe werden häufig im Schiffbau und bei Schiffsreparaturen eingesetzt. Sie haben aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer außergewöhnlichen Festigkeit und Haltbarkeit traditionelle Metalle verdrängt. Hersteller bevorzugen GFK aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen und seines geringen Wartungsaufwands.

• Windenergie

Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses für Rotorblätter von Windkraftanlagen unverzichtbar. Wenn alte Turbinen ihr Lebensende erreichen, ist Recycling von entscheidender Bedeutung. Einige EU-Länder verbieten die Deponierung von Verbundwerkstoff-Rotorblättern und drängen auf bessere Recyclinglösungen.

• Bau und Infrastruktur

Moderne Verbundwerkstoffe werden beim Brückenbau und bei der Erdbebensicherheit von Gebäuden eingesetzt. Häufig kommen Glas- und Kohlenstofffasern in Harzen zum Einsatz. Die Industrie strebt nachhaltiges Recycling an, um große Altmaterialabfälle zu bewältigen.

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FAQs

• Was ist teurer: Verbundwerkstoffe oder herkömmliche Materialien?

Die Kosten eines Verbundwerkstoffs hängen von den zu seiner Herstellung verwendeten Materialien ab. Die Art der Produktionsprozesse und Materialien können Verbundwerkstoffe manchmal teurer machen als herkömmliche Materialien. Verbundwerkstoffe gelten jedoch als kostengünstig, da sie eine bessere Leistung, ein geringeres Gewicht und eine höhere Haltbarkeit bieten.

• Was sind die Nachteile von Verbundwerkstoffen?

Verbundwerkstoffe bieten zwar viele Vorteile, haben aber auch einige Nachteile. Sie können schwierig zu reparieren und zu warten sein, da Schäden oft schwer zu erkennen oder zu beheben sind. Delamination, also die Trennung von Schichten, ist ein weiteres häufiges Problem. Darüber hinaus kann die Herstellung von Verbundwerkstoffen für bestimmte Anwendungen komplex und kostspielig sein. Ihre Schlagfestigkeit ist im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Metall oft geringer, wodurch sie für bestimmte Umgebungen mit hoher Beanspruchung weniger geeignet sind.