Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoff, Kombination von zwei oder mehreren verschiedenen Materialien. Ein Verbundwerkstoff vereinigt die typischen mechanischen und physikalischen Eigenschaften seiner Bestandteile. Gleichzeitig werden die am wenigsten erwünschten unterdrückt. Zum Beispiel kombiniert ein glasfaserverstärkter Kunststoff die große Stärke der dünnen Glasfasern mit der Verformbarkeit (Duktilität) und chemischen Widerstandsfähigkeit von Kunststoff. Die Sprödigkeit der isolierten Glasfasern tritt im Verbund nicht auf. Die Möglichkeit, neue Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Automobilindustrie und die Freizeitindustrie zu entwickeln, haben für ein anhaltendes Interesse an der Weiterentwicklung der Verbundwerkstoffe gesorgt. Derzeit werden Verbundwerkstoffe für weitere Anwendungsbereiche ins Auge gefasst, darunter Kunstbauten wie Brücken und Straßenpfeiler sowie biomedizinische Produkte wie Prothesen.

Verbundwerkstoffe bestehen gewöhnlich aus Synthesefasern. Die Fasern werden von einer Matrix fest umschlossen. Diese am häufigsten verwendete Form von Verbundwerkstoff nennt man Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe (PMCs). PMCs können aus keramischen Fasern oder auch aus Kohlenstoff- oder Glasfasern bestehen. Das Ganze wird in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Typischerweise beträgt der Faseranteil bei einem PMC 60 Gewichtsprozent. Statt der Kunststoffmatrix ist auch eine Metallmatrix oder eine keramische Matrix möglich. Mit diesen Matrizes lassen sich speziellere Verbundsysteme, die so genannten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) bzw. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) herstellen.

Der faserverstärkende Bestandteil der Verbundwerkstoffe kann aus dünnen Endlosfasern oder relativ kurzen Faserabschnitten bestehen. Bei kurzen Faserabschnitten kommen Fasern mit einem großen Höhe/Breite-Verhältnis zum Einsatz. Verbundwerkstoffe mit Endlosfasern benötigt man im Allgemeinen für Hochleistungskonstruktionen. Zum Beispiel können die spezifische Stärke (Stärke/Dichte-Verhältnis) und spezifische Steifigkeit (E-Modul/Dichte-Verhältnis; siehe Elastizität) der PMCs mit Endlosfasern herkömmlichen Legierungen weit überlegen sein. Aber Verbundwerkstoffe zeichnen sich auch durch andere attraktive Eigenschaften aus, wie hohe thermische oder elektrische Leitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Je nachdem, wie die Fasern innerhalb der Matrix ausgerichtet oder versponnen sind, lassen sich außerdem Verbundwerkstoffe herstellen, deren Struktureigenschaften genau auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind.

Verbundwerkstoffe haben gegenüber herkömmlichen Werkstoffen einige Vorteile, aber auch ein paar Nachteile. Zum Beispiel können PMCs und andere Verbundwerkstoffe hoch anisotrop sein: Je nach Ausrichtung des Verbundwerkstoffes sind ihre Stärke, Steifigkeit und anderen technischen Eigenschaften unterschiedlich. Wenn z. B. in einem PMC alle Fasern parallel zueinander liegen, dann wird das PMC in der Parallelrichtung zu den Fasern sehr steif sein, jedoch nicht in der Senkrechten. Diese anisotropen Eigenschaften werden für den Konstrukteur zu einer echten Herausforderung, wenn bei besonderen Konstruktionen Kräfte in mehrere Richtungen auf die Konstruktionsteile einwirken. Es ist problematisch, starke Verbindungen zwischen separaten Bestandteilen des Verbundwerkstoffes herzustellen.

Ein breiterer Einsatz fortschrittlicher Verbundwerkstoffe wird durch die hohen Produktionskosten verhindert. Derzeit ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen ein arbeitsintensives Verfahren. Mit der Entwicklung verbesserter Produktionsverfahren wird es jedoch möglich sein, Verbundwerkstoffe in größerem Umfang zu niedrigeren Kosten als heute herzustellen und damit diese Stoffe in größerem Umfang zu nutzen.

Siehe auch Physik der kondensierten Materie.