Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde

MPP = Mesophasenpech

Die MPP-Kohlenstofffaser ist eine isotrope Kohlenstofffaser mit geringer Festigkeit, welche in die so genannte Mesophase, durch eine Hydrierungsbehandlung, geführt wird.
Wodurch sich die Kohlenstoffnetzebenen durch Verstreckung, während des Herstellungsprozesses, entlang der Faserachse orientieren.

==> Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit (HM) und gleichzeitig hoher Zugfestigkeit (HMS) möglich.

--> sehr teuer   

alternative Antwort:

- Pech als Abfallprodukt von Erdöl als Matrix für die Kohlefaser

- Kohlenstoffherstellung auf Basis von Mesophasenpech

- Teuer, Hochmodulig

Anwendungsgebiete:

- Sicherheitsbereich
—> Splitterschutz und schusssichere Westen
—> Schutzhelme
—> Panzerung für Fahrzeuge
—> Hitzeschutzbekleidung

Sportgeräte:

—> Segel von Segelsportbooten
—> Fangleinen beim Gleitschirm
—> Tennisschläger

Technik:

—> Deckschicht bei Laminaten
—> Borhungen einnähen
—> Luftfahrt 

A) - Kevlar

—> Aramidfaser (Aromatische Polyamid)

- Dyneema

—> PE-Faser (Kern für Kletterseile)

B) --> Optimieren der Eigenschaften

--> Verstrecken
--> Nassspinnen
--> Extrusion
--> Verlängern und ordnen der Faser-
--> Extrem leicht
--> Molekülketten hoch orientiert
--> Kristallinitätsgrad ca. 85%

1 -  Shish Kebab Struktur (Strömungsinduzierte Keimbildung)

2 - Metall Matrices + Al.- Fasern

3 - Dyneema - plastifizieren und verprassen (Gewebe)

4 - Presslaminat - Thermoplast (PP, PE)

5 - Siliziumcarbit Faser/ Matrix

Köper-Gewebe:

Vorteile:

- Gut umformabr
- Sehr gute Drapierfähigkeit
- Eignet sich besonders für Sichtbauteile

Nachteile:

- Hoher Preis (Handarbeit)
- Faserumlenkung (anfällig für Verschiebung der einzelnen Fasern, da nicht an jedem Kreuzpunkt verschlungen)
- Faserwelligkeit

Gelege:

Vorteile:

- Unterschiedliche Faserordnung für optimale Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften, gezielter Kraftschluss

Nachteile:

- Handarbeit
- Teuer und aufwendig bei maschineller Fertigung
- Schlechte Drapierfähigkeit

Wirrfasermatten:

Vorteile:

- Leicht herzustellen
- Kostengünstig
- Isotropie (ist die Unabhängigkeit einer Eigenschaft v. d. Richtung)

Nachteile:

- Schlecht maschinell zu verarbeiten
- Keine optimale Faserauslastung
- Geringe Festigkeit

3D-Gewebe:

Vorteile:

- Leicht zu verarbeiten
- Maschinell erzeugt
- Gute Drapierbarkeit
- Hohe Laminatsteifigkeit
- Hohe Schadenstoleranz
- Energieabsorbationsvermögen durch Fasern in Z-Richtung deutlich besser
- Out-of-plane Eigenschaften

Nachteile:

- Teuer
- 3D Textielverfahren sind langsam (geringe Produktivität)
- Teilweise deutlich schlechter in-plane Eigenschaften durch Faserwelligkeit

Preform:

- Grünling, Rohling, Vorformling
- Gelege werden mittels Thermoplast fixiert (heißpressen/ vernähen)
- Endkonturnahes Gewebe wird mit RTM zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet
- Trocken textil Faserhalbzeug
- Umformen / Nähtechniken

Prepreg:

- Vorimpregnierte Fasern
- Flächige Halbzeuge, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunstoffmatrix
- Kann als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege auftreten (bahnförmig) auf rollen gewickelt.
- Kühl lagern, Haltbarkeit beachten

Duromere:

- Ungestättigtes Polyesterharz
- Vinylesterharz
- Epoxidharz
- Phenolharz
- Silicone

Thermoplastische:

- Polypropylen
- Polycarbonat
- Polyethylen
- Polyamid
- PET

PEEK: (teilkristalliner high temperature Thermoplast)

- Kristallwachstum kritisch, großes Korn, spröde, leicht zerspanbar, großer Schund bei der Erstarrung teilkristalliener thermoplastischer Masse, schlechte Oberflächenqualität.
- Optimale Abkühlgeschwindigkeit beachten, intensive Kühlung des Werkzeuges erforderlich.
—> Schnell abkühlen, amorphe Bereiche
—> Langsam abkühlen, entstehen hohes Kristallwachstum

PEI: (amorpher high temperature Thermoplast)

- Kristallwachstum unbedenklich, da amorph
- Phasenübergnag fehlt beim Aufheizen oder Abhühlen im Gegensatz zu PEEK, da amorph.
- Kein zusätzlicher Wärmebedarf oder Wärmeabfuhr nötig
- geringere Dichte, daher Verarbeitungsschwindung geringer (0,4% - 0,8%), als bei PEEK (1,5% - 2,5%).

Keramische Matrix

- Aluminiumoxid (Al203)
- Siliziumcarbid (SiC)

Keramikfaserwerkstoff

- Siliziumoxid
- Silizumcarbid
- Aluminiumoxid (Glasfaser)

- Aramidfaser, hohe Zugfestigkeit, hohes Modul, nicht spröde

- Al2O3SiC
--> Isotrop
--> 3D kovalent und keine Faserorientierung
--> Kein Kohlenstoff, da nicht Wärmebeständig
--> Stahlfaser

A: Siehe Bild

B: Viskosität sinkt zunächst und nimmt mit einsetzen der Druckphase und erhöhung der Temperatur zu.

C:

Temperatur richtet sich nach Bauteilgröße
--> Aufheizen
--> Chemische Reaktion startet
--> Viskosität sinkt
--> Vakuum Konstant (Vermeidung von Lunkern)
--> Viskosität Tiefpunkt erreicht
--> bei Temperatur Maximum mit Druckzufuhr steigt Viskosität steil an

alternativ:
T1.) Vakuum konstant,Temperatur anstieg, Viskosität sinkt, 
T2.) Vakuum konstant,Temperatur konstant, Druck zunahme, Viskosität erhöt sich
T3.) Vakuum konstant,Temperatur anstieg, Druck konstant, Viskosität erhöt sich weiter, Harz härtet ohne Luftblasen aus

- Lösemittelimprägnierung (Fasern werden in Harz/ Lösemittel geträngt/ eingetaucht)

--> Roving in Harz und Lösemittelbad getränkt
--> Roving in Trockenraum
--> Verflüchtigung der Lösemittel
--> Schutzfolien-Aufbringung bei Matrix
--> Trägerfolie
--> Als Prepreg auf Vorratsrollen aufwickeln

- Schmelzimprägnieren (Imprägnierung über Harzfilmrollen)

--> Fasern werden durch Temperatur und Druck an Harzfolienrollen imprägniert
--> Anschließend aufrollen

Duromer:

- Vorteile:

--> Stabile Vernetzung
--> Große Temperaturbeständigkeit
--> Einfache Herstellung
--> Festigkeit
--> Geringe Kriechneigung
 

- Nachteile:

--> Dreidimensional vernetzt (kein aufschmelzen möglich, nicht Schweißbar)
--> Nach aushärtung keine Veränderung der Form mehr möglich (Schrumpfen, Zerbröseln, kein Umformen)
--> Geringe Schlagzähigkeit
--> Große chemische Kenntnisse notwendig

Thermoplast:

- Vorteile:

--> Schweißbar
--> Höhere Zähigkeit
--> Recyclebarkeit
--> Importverhalten sehr gut
--> Großserien möglich

-Nachteile:

--> Kriechen
--> Geringe Festigkeit/ Steifigkeit

Fertigungstechnologie

- Nähtechnologie

- Multiaxiale Gelege

- Geflecht + RTM

- Handlaminieren

- RTM

- Autoklav

- Wickeln

- Prepreg

- RTM = Resin Transfer Moulding

Im Vergleich zum Pressen wird hierbei die Formmasse mittels Kolben von einer meist beheizten   Vorkammer über Verteilerkanäle in das Formnest eingespritzt, worin sie unter Wärme und Druck   aushärtet

- Klassischem RTM

o Reaktion findet statt
o Polymerisation - In situ polymerisation
o Harz + Härter
o Epoxid in injizieren
o Duroplast

- Thermoplast RTM

o Prepolymere
o Chemische Reaktion
o Lange Molekühlketten werden durch Prozess noch länger, Thermoplast wird aufgebaut
o Kein Schmelzprozess
o In Form injizieren

1. Thermoplastische Prepregs
- Thermoplastische Fasern werden in Gewebe eingewoben. Beim Erhitzen schmelzen dies. Dadurch werden die Fasern getränkt.

2. Organoblech
- Thermoplastische Halbzeuge (C-Faserverstärkt) durch Erwärmung und Druck umformbar

3. Thermoplastisches RTM
- Thermoplast Präpolymer, durch chemische Reaktion werden aus langen Ketten, noch längere. Thermoplast in Form injiziert

- Wärmeausdehnung

- Korrosionsschutz

- angepasste Steifigkeit

- Crash-Kriterien
   =>Duktilität, Sprödbruchverhalten

- Aramidfäden, Glasfaserschicht, Thermoplast (Polyester-Fließe)
   => Schützen vor Splittern bei Crash

- Fasergerechte Konstruktion => Zugbeanspruchung

- Mind. 25 % Gewichtsreduktion bei gleicher Konstruktion

- Metalleinlegeteile zur definierten Lasteinleitung

- UV-Strahlen schädigen Faser => lackieren

- Temperatureinflüsse beachten

•Isotropie:
gleiche physikalische Eigenschaften in allen Raumrichtungen

•Anisotropie:
„Gegenteil“

=> unterschieden wird weiterhin:

- Orthotropie (in 90° Richtung unterschiedliche Eigenschaften) und
- Monotropie (transverse Isotropie, ist eine spezielle Art der Richtungsabhängigkeit eines Materials, in Ebenen, die nicht senkrecht zur Vorzugsrichtung sind, ist das Kraft-Verformungs-Verhalten des Materials richtungsabhängig.)

•Steifigkeitsberechnung: Bildung von Mittelwerten => „verschmieren“

•Festigkeitsberechnung:

  - Auswirkungen der Laminateinzelschichten ES auf das Bruchverhalten.

- Sprungartiger Wechsel der Spannungen von Schicht zu Schicht.

- Berechnung von Mittelspannungen / Mitteldehnungen pro Schicht.

•Verformungsverhalten mit aktuellen Berechnungsverfahren nicht vorhersehbar.

•Nur Fasern tragen Zug- und Druckkräfte.

•Matrix wird vernachlässigt.

•Spannungen verlaufen parallel zu den Fasern.

•Nur der ebene Spannungszustand kann abgebildet werden.

•Ideale UD-Schichten.

•Hauptnormalspannungen bestimmen das Koordinatensystem zur

•Kennzeichnung der Schichtwinkel.

•Parallelschaltung der Fasern => gleiche Dehnungen

–Bruchdehnung der Faser

–Bruchspannung proportional zum Faservolumengehalt

•Quer zur Faser: Reihenschaltung => gleiche Spannung

–Bruchdehnung der UD-Schicht erheblich reduziert

–Matrix muss Schichtverformung auf kleiner Strecke übertragen => Dehnungsüberhöhung in der Matrix.

A)

–E-Modul

–G-Moduln

–Querkontraktion 12

–Wärmeausdehnungsverhalten

B)
•gilt nur für die Einzelschicht!

•Die Einzelschicht mit der niedrigsten Zwischenfaserbruchgefahr auf die Aussenseite des Laminates legen.

•Abwechselnde Anordnung der Einzelschichten.

•Möglichst geringe Differenzen der Orientierungswinkel.

•Keine Werkstoffe mit unterschiedlichen E-Moduln kombinieren (bezieht sich auf die Mischung der Einzelschichten).

•Laminat symmetrisch aufbauen.

•Matrix und Faser beteiligen sich an der Lastübertragung.

•Modellierung des Laminats aus Einzelschichten.

•Die Schichten sind ideal miteinander „verklebt“.

•Gilt für dünne Laminate.

•Konstante Laminatdicke.

a) ausgeglichener Winkelverbund [+45 / - 45]

b) Kreuzverbund [0/90]

•Corona-Verfahren

•Plasmatreat

•Phenolklebstoff: Flugzeug- / U-Bahnbau => flammwidrig, geringe Rauchentwicklung

•2K-Epoxidklebstoff: universeller Konstruktionsklebstoff, Dünnschicht

•PU-Klebstoff: z.B. Dickschicht, gummielastisches Materialverhalten, Spaltüberbrückung

•Klebefugen in niedrigbelastete Zonen legen („Spannungsschatten“)

•Steifigkeitssprung meiden / Spannungsspitzen mindern, z.B. schäften

•Fügezone wartungsfreundlich gestalten

•Steiferes Material schäften: d.h. CFK-Laminat.

•Oberfläche CFK entfetten, Matrix mechanisch „anschleifen“ / Oberfläche

•Aluminium z.B. phosphorsäureanodisieren.

•Optimale Überlappungslänge berechnen.

Optimale Überlappungslänge:

Fügeteil:   \(F_{BF} = R_m * b * t\)

Klebstoff: \(F_{BK} = \tau_B * b * l_ü\)

mit           \(F_{BF} = F_{BK}\)

==> >     \( l_{üopt} = \frac{R_m*t}{\tau_B}\)

Bei duktilen metallischen Werkstoffen:   \( l_{üopt} = \frac{R_{p0,2}*t}{\tau_B}\)