Verbundmaterial - Composite material

Eine schwarze Kohlefaser (als Verstärkungskomponente verwendet) im Vergleich zu einem menschlichen Haar
Verbundwerkstoffe entstehen durch die Kombination von Materialien zu einer Gesamtstruktur mit Eigenschaften, die sich von denen der Einzelkomponenten unterscheiden

Ein Verbundmaterial (auch Zusammensetzungsmaterial oder abgekürzt Verbundmaterial genannt , was der gebräuchliche Name ist) ist ein Material , das aus zwei oder mehr Bestandteilsmaterialien hergestellt wird. Diese konstituierenden Materialien haben bemerkenswert unterschiedliche chemische oder physikalische Eigenschaften und werden zu einem Material mit Eigenschaften verschmolzen, die sich von den einzelnen Elementen unterscheiden. Innerhalb der fertigen Struktur bleiben die einzelnen Elemente getrennt und eindeutig, wodurch sich Verbundwerkstoffe von Mischungen und Mischkristallen unterscheiden .

Typische technische Verbundwerkstoffe umfassen:

Es gibt verschiedene Gründe, warum neues Material bevorzugt werden kann. Typische Beispiele sind Materialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Materialien weniger teuer, leichter, stärker oder haltbarer sind.

In jüngerer Zeit haben Forscher auch damit begonnen, Sensorik, Aktorik, Berechnung und Kommunikation aktiv in Verbundwerkstoffe, die als Robotermaterialien bekannt sind, einzubeziehen .

Verbundwerkstoffe werden für gewöhnlich verwendet , Gebäude , Brücken und Strukturen wie Bootsrümpfe , Schwimmbad Platten , Rennwagen Körper, Dusche Stände, Badewannen , Lagertanks , Nachahmung Granit und Kunstmarmor Waschbecken und Arbeitsplatten. Sie werden auch zunehmend in allgemeinen Automobilanwendungen eingesetzt.

Die fortschrittlichsten Beispiele werden routinemäßig in Raumfahrzeugen und Flugzeugen in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt.

Geschichte

Die frühesten Verbundmaterialien wurden aus aus Stroh und Schlamm kombiniert bilden Ziegel für den Bau Bau . Die alte Ziegelherstellung wurde durch ägyptische Grabmalereien dokumentiert .

Wattle and Daub ist mit über 6000 Jahren eines der ältesten Verbundmaterialien. Beton ist auch ein Verbundwerkstoff und wird weltweit mehr als jeder andere Kunststoff verwendet. Ab 2006 werden jährlich etwa 7,5 Milliarden Kubikmeter Beton hergestellt – mehr als ein Kubikmeter für jeden Erdenbürger.

  • Verholzte Pflanzen , sowohl echtes Holz von Bäumen als auch Pflanzen wie Palmen und Bambus , ergeben natürliche Verbundstoffe, die prähistorisch von der Menschheit verwendet wurden und immer noch weit verbreitet im Bau- und Gerüstbau verwendet werden.
  • Sperrholz , 3400 v. Chr., von den alten Mesopotamiern; Das Verleimen von Holz in verschiedenen Winkeln ergibt bessere Eigenschaften als natürliches Holz.
  • Kartonnage , in Gips getränkte Leinen- oder Papyrusschichten stammen aus der Ersten Zwischenzeit Ägyptens . 2181–2055 v. Chr. und wurde für Totenmasken verwendet .
  • Cob Lehmziegeln oder Lehmwände, (mit Schlamm (Ton) mit Stroh oder Kies als Bindemittel) ist seit Tausenden von Jahren verwendet.
  • Beton wurde durch beschrieben Vitruvius , Schreiben um 25 vor Christus in seine Zehn Büchern über Architektur , unterschieden Arten von Aggregate geeignet für die Herstellung von Kalkmörtel . Für strukturelle Mörtel empfahl er pozzolana , die vulkanische Sand von dem sand Betten waren Pozzuoli bräunlich-gelb-grau in der Farbe in der Nähe von Neapel und rötlich-braun in Rom . Vitruvius gibt ein Verhältnis von 1 Teil Kalk zu 3 Teilen Puzzolan für Zemente für Gebäude und ein Verhältnis von 1:2 von Kalk zu Pulvis Puteolanus für Unterwasserarbeiten an, im Wesentlichen das gleiche Verhältnis, das heute für Beton verwendet wird, der auf See verwendet wird. Natürliche Zement-Steine , nach dem Brennen, verwendeten hergestellte Zemente in Betonen von post-römischer Zeit bis in das 20. Jahrhundert, mit einigen Eigenschaften überlegen hergestellt Portland - Zement .
  • Pappmaché , ein Verbund aus Papier und Leim, wird seit Hunderten von Jahren verwendet.
  • Der erste kunstfaserverstärkte Kunststoff war eine Kombination aus Glasfaser und Bakelit , die 1935 von Al Simison und Arthur D. Little in der Owens Corning Company durchgeführt wurde
  • Einer der gebräuchlichsten und bekanntesten Verbundwerkstoffe ist Glasfaser , bei der kleine Glasfasern in ein Polymermaterial (normalerweise ein Epoxid oder Polyester) eingebettet sind. Die Glasfaser ist relativ fest und steif (aber auch spröde), während das Polymer duktil (aber auch schwach und flexibel) ist. Somit ist die resultierende Glasfaser relativ steif, stark, flexibel und duktil.

Beispiele

Kompositmaterialien

Beton ist eine Mischung aus Zement und Zuschlagstoffen, die ein robustes, starkes Material ergibt, das sehr weit verbreitet ist.
Sperrholz wird häufig im Bauwesen verwendet
Verbund-Sandwich-Strukturplatte für Tests bei der NASA

Beton ist der gebräuchlichste künstliche Verbundwerkstoff von allen und besteht typischerweise aus losen Steinen (Zuschlagstoffen), die mit einer Zementmatrix gehalten werden . Beton ist ein kostengünstiges Material und wird selbst unter einer ziemlich großen Druckkraft nicht zusammengedrückt oder zersplittert. Beton kann jedoch Zugbelastungen nicht standhalten (dh wenn er gedehnt wird, bricht er schnell auseinander). Daher ist die Möglichkeit zu geben , Beton zu wider gestreckt, Stahlstäbe, die eine hohe Dehnung widerstehen kann (Zug-) Kräfte, werden häufig konkrete hinzugefügt zu bilden Stahlbeton .

Faserverstärkte Polymere umfassen kohlenstofffaserverstärkte Polymere und glasfaserverstärkte Kunststoffe . Nach Matrix klassifiziert gibt es thermoplastische Verbundwerkstoffe , Kurzfaser-Thermoplaste , Langfaser-Thermoplaste oder langfaserverstärkte Thermoplaste. Es gibt zahlreiche duroplastische Verbundwerkstoffe, einschließlich Papierverbundplatten . Viele fortschrittliche duroplastischen Polymermatrix - Systemen in der Regel inkorporieren Aramid - Faser und Kohlenstofffaser in einem Epoxidharz - Matrix.

Polymerverbundwerkstoffe mit Formgedächtnis sind Hochleistungsverbundwerkstoffe, die unter Verwendung von Faser- oder Gewebeverstärkung und Formgedächtnispolymerharz als Matrix formuliert werden. Da ein Polymerharz mit Formgedächtnis als Matrix verwendet wird, können diese Verbundstoffe leicht in verschiedene Konfigurationen gebracht werden, wenn sie über ihre Aktivierungstemperaturen erhitzt werden, und zeigen bei niedrigeren Temperaturen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. Sie können auch immer wieder erwärmt und umgeformt werden, ohne ihre Materialeigenschaften zu verlieren. Diese Verbundwerkstoffe sind ideal für Anwendungen wie leichte, steife, einsetzbare Strukturen; schnelle Herstellung; und dynamische Verstärkung.

Verbundwerkstoffe mit hoher Dehnung sind eine andere Art von Hochleistungsverbundwerkstoffen, die für eine hohe Verformung ausgelegt sind und häufig in entfaltbaren Systemen verwendet werden, bei denen strukturelles Biegen von Vorteil ist. Obwohl Verbundwerkstoffe mit hoher Dehnung viele Ähnlichkeiten mit Formgedächtnispolymeren aufweisen, hängt ihre Leistung im Allgemeinen vom Faserlayout im Gegensatz zum Harzgehalt der Matrix ab.

Verbundwerkstoffe können auch Metallfasern verwenden, die andere Metalle verstärken, wie in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) oder Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMC), die Knochen ( mit Kollagenfasern verstärktes Hydroxylapatit ), Cermet (Keramik und Metall) und Beton umfassen . Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix werden in erster Linie für Bruchzähigkeit gebaut , nicht für Festigkeit. Eine andere Klasse von Verbundmaterialien umfasst einen gewebten Textilverbundstoff, der aus längs- und querverflochtenen Garnen besteht. Gewebeverbundstoffe sind flexibel, da sie in Form von Geweben vorliegen.

Verbundstoffe mit organischer Matrix und keramischen Zuschlagstoffen umfassen Asphaltbeton , Polymerbeton , Mastixasphalt , Mastixwalzenhybrid , Dentalverbundstoff , syntaktischen Schaum und Perlmutt . Chobham-Rüstung ist eine spezielle Art von Verbundpanzerung, die in militärischen Anwendungen verwendet wird.

Darüber hinaus können thermoplastische Verbundmaterialien mit speziellen Metallpulvern formuliert werden, was zu Materialien mit einem Dichtebereich von 2 g/cm 3 bis 11 g/cm 3 (gleiche Dichte wie Blei) führt. Der gebräuchlichste Name für diese Art von Material ist "High Gravity Compound" (HGC), obwohl auch "Bleiersatz" verwendet wird. Diese Materialien können anstelle von herkömmlichen Materialien, wie Aluminium, Edelstahl, Messing, Bronze, Kupfer, Blei und auch Wolfram in Gewichtung verwendet werden, Ausgleich (beispielsweise den Schwerpunktes eines Tennis modifizierende Schlägers ), Schwingungsdämpfung, und Strahlenschutzanwendungen. Verbundwerkstoffe mit hoher Dichte sind eine wirtschaftlich sinnvolle Option, wenn bestimmte Materialien als gefährlich gelten und verboten sind (wie Blei) oder wenn Nebenkosten (wie Bearbeitung, Endbearbeitung oder Beschichtung) ein Faktor sind.

Es gab mehrere Studien, die darauf hindeuteten, dass das Verschachteln von steifen und spröden kohlenstofffaserverstärkten Polymerlaminaten auf Epoxidbasis mit flexiblen thermoplastischen Laminaten dazu beitragen kann, hochzähe Verbundwerkstoffe herzustellen, die eine verbesserte Schlagzähigkeit aufweisen. Ein weiterer interessanter Aspekt solchen verschachtelten Komposite ist , dass sie in der Lage sind , um ein Formgedächtnisverhalten aufweist , ohne irgendein zu benötigen Formgedächtnispolymere oder Formgedächtnislegierungen wie Balsa Lagen mit Heißleim verschachtelt, Aluminium Lagen Verschachtelungen mit Acrylpolymeren oder PVC und kohlefaserverstärkten Polymerlaminate lappen mit Styropor .

Ein Verbundwerkstoff mit Sandwichstruktur ist eine besondere Klasse von Verbundwerkstoffen, die durch Anbringen zweier dünner, aber steifer Häute an einem leichten, aber dicken Kern hergestellt werden. Das Kernmaterial ist in der Regel geringe Festigkeit Material, aber seine höhere Dicke stellt den Sandwich - Verbund mit hohen Biegesteifigkeit mit insgesamt niedriger Dichte .

Holz ist ein natürlich vorkommender Verbundstoff aus Zellulosefasern in einer Lignin- und Hemizellulosematrix . Holzwerkstoffe umfassen eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte wie Holzfaserplatten, Sperrholz , Oriented Strand Board , Wood Plastic Composite (recycelte Holzfasern in Polyethylenmatrix), Pykrete (Sägemehl in Eismatrix), kunststoffimprägnierte oder laminierte Papiere oder Textilien, Arborit , Resopal (Kunststoff) und Micarta . Andere technische Laminat-Verbundwerkstoffe wie Mallite verwenden einen zentralen Kern aus Hirnholz-Balsaholz , der mit Oberflächenhäuten aus Leichtmetall oder GFK verbunden ist. Diese erzeugen Materialien mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit.

Teilchenförmige Verbundstoffe weisen Teilchen als Füllmaterial auf, die in einer Matrix dispergiert sind, die nichtmetallisch sein kann, wie beispielsweise Glas, Epoxid. Ein Autoreifen ist ein Beispiel für einen teilchenförmigen Verbundstoff.

Es wurde über fortschrittliche diamantähnliche Kohlenstoff (DLC) beschichtete Polymerverbundstoffe berichtet, bei denen die Beschichtung die Oberflächenhydrophobie, Härte und Verschleißfestigkeit erhöht.

Ferromagnetische Komposite, einschließlich solcher mit einer Polymermatrix, die beispielsweise aus nanokristallinem Füllstoff aus Fe-basierten Pulvern und Polymermatrix besteht. Einsetzbar sind amorphe und nanokristalline Pulver, die beispielsweise aus metallischen Gläsern gewonnen werden. Ihre Verwendung ermöglicht es, ferromagnetische Nanokomposite mit kontrollierten magnetischen Eigenschaften zu erhalten.

Produkte

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe haben (trotz ihrer im Allgemeinen hohen Kosten) an Popularität in Hochleistungsprodukten gewonnen, die leicht und dennoch stark genug sein müssen, um raue Belastungsbedingungen wie Luft- und Raumfahrtkomponenten ( Leitwerke , Flügel , Rümpfe , Propeller ), Boote und scull Rümpfe, Fahrradrahmen und Rennwagen Körper. Andere Verwendungen umfassen Angelruten , Lagertanks , Schwimmbadplatten und Baseballschläger . Die Strukturen von Boeing 787 und Airbus A350 einschließlich der Tragflächen und des Rumpfes bestehen größtenteils aus Verbundwerkstoffen. Verbundmaterialien werden auch im Bereich der orthopädischen Chirurgie immer häufiger verwendet und sind das gängigste Material für Hockeyschläger.

Kohlenstoffverbundwerkstoff ist ein Schlüsselmaterial in heutigen Trägerraketen und Hitzeschilden für die Wiedereintrittsphase von Raumfahrzeugen . Es wird häufig in Solarmodulsubstraten, Antennenreflektoren und Jochen von Raumfahrzeugen verwendet. Es wird auch in Nutzlastadaptern, Zwischenstufenstrukturen und Hitzeschilden von Trägerraketen verwendet . Darüber hinaus verwenden Scheibenbremssysteme von Flugzeugen und Rennwagen Carbon/Carbon- Material, und der Verbundwerkstoff mit Carbonfasern und Siliziumkarbid- Matrix wurde in Luxusfahrzeugen und Sportwagen eingeführt .

Im Jahr 2006 wurde als korrosionsfreie Alternative zu verzinktem Stahl eine faserverstärkte Poolplatte aus Verbundwerkstoff für erdverlegte Schwimmbäder, sowohl für private als auch für gewerbliche Zwecke, eingeführt.

Im Jahr 2007 ein All-Composite - Militär Humvee wurde von TPI Composites Inc und Rüstung Holdings Inc eingeführt, das erste All-Composite - Militärfahrzeug . Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist das Fahrzeug leichter und ermöglicht höhere Nutzlasten. Im Jahr 2008 wurden Kohlefaser und DuPont Kevlar (fünfmal stärker als Stahl) mit verbesserten duroplastischen Harzen kombiniert, um militärische Transportkoffer von ECS Composites herzustellen, wodurch 30 Prozent leichtere Koffer mit hoher Festigkeit geschaffen wurden.

Rohre und Formstücke für verschiedene Zwecke wie Trinkwassertransport, Brandbekämpfung, Bewässerung, Meerwasser, entsalztes Wasser, chemische und industrielle Abfälle sowie Abwasser werden heute aus glasfaserverstärkten Kunststoffen hergestellt.

Verbundmaterialien, die in Zugkonstruktionen für Fassadenanwendungen verwendet werden, bieten den Vorteil, dass sie lichtdurchlässig sind. Das gewebte Grundgewebe in Kombination mit der entsprechenden Beschichtung ermöglicht eine bessere Lichtdurchlässigkeit. Dies bietet ein sehr angenehmes Beleuchtungsniveau im Vergleich zur vollen Helligkeit von außen.

Die Flügel von Windkraftanlagen, in immer größer werdenden Größen in der Größenordnung von 50 m Länge, werden seit mehreren Jahren aus Verbundwerkstoffen gefertigt.

Zwei-Unterschenkel-Amputierte laufen auf federähnlichen Kunstfüßen aus Carbon-Verbund genauso schnell wie Nicht-Amputierte.

Hochdruck-Gasflaschen, typischerweise mit einem Volumen von 7–9 Litern x 300 bar Druck für Feuerwehrleute, werden heutzutage aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt. Typ-4-Zylinder enthalten nur Metall als Nabe, die das Gewinde zum Einschrauben des Ventils trägt.

Am 5. September 2019 stellte HMD Global das Nokia 6.2 und das Nokia 7.2 vor, die angeblich Polymerverbundwerkstoffe für die Rahmen verwenden.

Überblick

Kohlefaser-Verbundteil.

Verbundwerkstoffe werden aus einzelnen Materialien hergestellt. Diese einzelnen Materialien werden als konstituierende Materialien bezeichnet, und es gibt zwei Hauptkategorien davon. Eine ist die Matrix ( Bindemittel ) und die andere Verstärkung . Von jeder Sorte wird mindestens eine Portion benötigt. Die Bewehrung erhält Unterstützung von der Matrix, da die Matrix die Bewehrung umgibt und ihre relativen Positionen beibehält. Die Eigenschaften der Matrix werden verbessert, da die Verstärkungen ihre außergewöhnlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften verleihen. Die mechanischen Eigenschaften werden von den einzelnen Bestandteilsmaterialien durch Synergismus nicht verfügbar. Gleichzeitig erhält der Gestalter des Produkts oder der Konstruktion Möglichkeiten, aus der Vielfalt der Matrix- und Verstärkungsmaterialien eine optimale Kombination auszuwählen.

Um die konstruierten Verbundwerkstoffe zu formen, müssen sie geformt werden. Die Bewehrung wird auf die Formoberfläche oder in den Formhohlraum gelegt . Davor oder danach kann die Matrix in die Bewehrung eingebracht werden. Die Matrix erfährt ein Verschmelzungsereignis, das die Form des Teils notwendigerweise festlegt. Dieses Verschmelzungsereignis kann in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Matrix auf verschiedene Weise erfolgen, wie z. B. Verfestigung aus dem geschmolzenen Zustand für einen thermoplastischen Polymermatrix-Verbundstoff oder chemische Polymerisation für eine duroplastische Polymermatrix .

Je nach den Anforderungen des Endproduktdesigns können verschiedene Formgebungsverfahren verwendet werden. Die Art der gewählten Matrix und Verstärkung sind die Schlüsselfaktoren, die die Methodik beeinflussen. Die zu fertigende Bruttomaterialmenge ist ein weiterer wichtiger Faktor. Um hohe Kapitalinvestitionen für eine schnelle und automatisierte Fertigungstechnologie zu unterstützen, können große Mengen eingesetzt werden. Günstigere Kapitalinvestitionen, aber entsprechend langsamer höhere Arbeits- und Werkzeugkosten unterstützen die kleinen Produktionsmengen.

Viele kommerziell hergestellte Verbundwerkstoffe verwenden ein Polymermatrixmaterial , das oft als Harzlösung bezeichnet wird. Abhängig von den Ausgangsrohstoffen stehen viele verschiedene Polymere zur Verfügung. Es gibt mehrere große Kategorien, jede mit zahlreichen Variationen. Die gebräuchlichsten sind als Polyester , Vinylester , Epoxid , Phenol , Polyimid , Polyamid , Polypropylen , PEEK und andere bekannt. Die Verstärkungsmaterialien sind oft Fasern, aber auch häufig gemahlene Mineralien. Die verschiedenen unten beschriebenen Verfahren wurden entwickelt, um den Harzgehalt des Endprodukts zu reduzieren oder den Fasergehalt zu erhöhen. Als Faustregel gilt, dass das Auflegen ein Produkt mit 60 % Harz und 40 % Fasern ergibt, während Vakuuminfusion ein Endprodukt mit 40 % Harz und 60 % Faseranteil ergibt. Die Festigkeit des Produkts hängt stark von diesem Verhältnis ab.

Martin Hubbe und Lucian A Lucia betrachten Holz als einen natürlichen Verbund von Zellulosefasern in einer Matrix aus Lignin .

Kerne in Verbundwerkstoffen

Mehrere Aufbaukonstruktionen von Verbundwerkstoffen beinhalten auch ein gemeinsames Aushärten oder Nachhärten des Prepregs mit vielen anderen Medien, wie beispielsweise Schaumstoff oder Wabenstruktur. Im Allgemeinen wird dies als Sandwich-Struktur bezeichnet . Dies ist ein allgemeinerer Aufbau für die Herstellung von Verkleidungen, Türen, Radomen oder nicht tragenden Teilen.

Als Kernmaterialien werden im Allgemeinen offen- und geschlossenzellige Schaumstoffe wie Polyvinylchlorid- , Polyurethan- , Polyethylen- oder Polystyrolschaum , Balsaholz , syntaktische Schaumstoffe und Waben verwendet. Als Kernmaterialien können auch offen- und geschlossenzelliger Metallschaum verwendet werden. Neuerdings werden auch 3D-Graphenstrukturen (auch Graphenschaum genannt) als Kernstrukturen eingesetzt. Eine kürzlich erschienene Übersicht von Khurram und Xu et al. bietet eine Zusammenfassung der neuesten Techniken zur Herstellung der 3D-Struktur von Graphen und Beispiele für die Verwendung dieser schaumartigen Strukturen als Kern für ihre entsprechenden Polymerkompositen.

Halbkristalline Polymere

Obwohl die beiden Phasen chemisch äquivalent sind, können teilkristalline Polymere sowohl quantitativ als auch qualitativ als Verbundmaterialien beschrieben werden. Der kristalline Abschnitt hat einen höheren Elastizitätsmodul und bietet eine Verstärkung für die weniger steife, amorphe Phase. Polymermaterialien können je nach molekularer Struktur und thermischer Vorgeschichte von 0% bis 100% Kristallinität, auch bekannt als Volumenanteil, reichen. Es können verschiedene Verarbeitungstechniken verwendet werden, um die prozentuale Kristallinität in diesen Materialien und damit die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien zu variieren, wie im Abschnitt über physikalische Eigenschaften beschrieben. Dieser Effekt wird an einer Vielzahl von Orten beobachtet, von industriellen Kunststoffen wie Einkaufstüten aus Polyethylen bis hin zu Spinnen, die Seide mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften herstellen können. In vielen Fällen wirken diese Materialien wie Partikel-Komposite mit zufällig verteilten Kristallen, die als Sphärolithe bekannt sind. Sie können jedoch auch so konstruiert werden, dass sie anisotrop sind und eher wie faserverstärkte Verbundwerkstoffe wirken. Bei Spinnenseide können die Materialeigenschaften unabhängig vom Volumenanteil sogar von der Größe der Kristalle abhängig sein. Ironischerweise gehören einkomponentige Polymermaterialien zu den am leichtesten abstimmbaren bekannten Verbundmaterialien.

Herstellungsverfahren

Normalerweise umfasst die Herstellung des Verbundmaterials das Benetzen, Mischen oder Sättigen der Verstärkung mit der Matrix. Die Matrix wird dann induziert, sich (durch Wärme oder eine chemische Reaktion) zu einer starren Struktur zu verbinden. Üblicherweise erfolgt der Vorgang in einem offenen oder geschlossenen Formwerkzeug. Die Reihenfolge und die Art und Weise der Einführung der Bestandteile ändert sich jedoch erheblich. Die Herstellung von Verbundwerkstoffen wird durch eine Vielzahl von Methoden erreicht, darunter fortschrittliche Faserplatzierung (automatische Faserplatzierung), Glasfaser- Sprühlegeprozess , Filamentwickeln , Lanxid-Prozess , maßgeschneiderte Faserplatzierung , Tufting und Z-Pinning .

Übersicht Schimmel

Die Verstärkungs- und Matrixmaterialien werden in einer Form zusammengeführt, verdichtet und gehärtet (verarbeitet), um einen Schmelzvorgang zu durchlaufen. Die Form des Teils wird grundsätzlich nach dem Schmelzvorgang festgelegt. Unter bestimmten Prozessbedingungen kann es sich jedoch verformen. Das Schmelzereignis Bei einem duroplastischen Polymermatrixmaterial handelt es sich um eine Härtungsreaktion, die durch die Möglichkeit zusätzlicher Hitze oder chemischer Reaktivität wie einem organischen Peroxid verursacht wird. Das Schmelzereignis für ein thermoplastisches polymeres Matrixmaterial ist eine Verfestigung aus dem geschmolzenen Zustand. Das Schmelzereignis für ein Metallmatrixmaterial wie Titanfolie ist ein Schmelzen bei hohem Druck und einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt.

Es ist für viele Formverfahren geeignet, ein Formteil als "untere" Form und ein anderes Formteil als "obere" Form zu bezeichnen. Untere und obere beziehen sich nicht auf die Konfiguration der Form im Raum, sondern auf die unterschiedlichen Seiten der geformten Platte. Bei dieser Konvention gibt es immer eine untere Form und manchmal eine obere Form. Der Teilebau beginnt mit dem Auftragen von Materialien auf die Unterform. Unterform und Oberform sind allgemeinere Beschreibungen als üblichere und spezifischere Begriffe wie männliche Seite, weibliche Seite, a-Seite, b-Seite, Werkzeugseite, Schüssel, Hut, Dorn usw. Kontinuierliche Fertigung verwendet eine andere Nomenklatur.

Üblicherweise wird das geformte Produkt als Platte bezeichnet. Bei bestimmten Geometrien und Materialkombinationen kann es als Guss bezeichnet werden. Es kann als Profil für bestimmte kontinuierliche Prozesse bezeichnet werden. Einige der Verfahren sind Autoklavenformen , Vakuumbeutelformen , Druckbeutelformen , Harzspritzpressen und Leichtharzspritzpressen .

Andere Herstellungsmethoden

Andere Arten der Herstellung umfassen Gießen , Schleudergießen, Flechten (auf einen Former ), Stranggießen , Filamentwickeln , Pressformen, Spritzpressen , Pultrusionsformen und Schlickerformen . Es gibt auch Umformfähigkeiten wie CNC- Filamentwickeln, Vakuuminfusion, Nasslaminieren, Formpressen und thermoplastisches Formen, um nur einige zu nennen. Für einige Projekte ist auch das Üben von Härtungsöfen und Lackierkabinen erforderlich.

Veredelungsmethoden

Auch die Endbearbeitung der Verbundteile ist entscheidend für das endgültige Design. Viele dieser Oberflächen werden Regenerosionsbeschichtungen oder Polyurethanbeschichtungen beinhalten.

Werkzeuge

Die Form und Formeinsätze werden als "Werkzeuge" bezeichnet. Die Form/Werkzeuge können aus verschiedenen Materialien gebaut werden. Zu den Werkzeugmaterialien gehören Aluminium , Kohlefaser , Invar , Nickel , verstärkter Silikonkautschuk und Stahl. Die Auswahl des Werkzeugmaterials basiert normalerweise auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten , der erwarteten Anzahl von Zyklen, der Toleranz des Endprodukts, dem gewünschten oder erwarteten Oberflächenzustand, dem Härtungsverfahren, der Glasübergangstemperatur des zu gießenden Materials, dem Formverfahren, Matrix, Kosten und andere verschiedene Überlegungen.

Physikalische Eigenschaften

Auftragung der Gesamtfestigkeit eines Verbundmaterials als Funktion des Faservolumenanteils, begrenzt durch die Bedingungen der oberen Grenze (Isospannung) und der unteren Grenze (Isospannung).

Normalerweise sind die physikalischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs nicht isotrop (unabhängig von der Richtung der ausgeübten Kraft). Sie sind jedoch typischerweise anisotrop (je nach Richtung der aufgebrachten Kraft oder Last unterschiedlich). Zum Beispiel hängt die Steifigkeit der Verbundplatte normalerweise von der Ausrichtung der aufgebrachten Kräfte und/oder Momente ab. Die Festigkeit des Verbundwerkstoffs wird durch zwei Belastungsbedingungen begrenzt, wie im Diagramm rechts gezeigt.

Isostrain-Regel von Mischungen

Wenn sowohl die Fasern als auch die Matrix parallel zur Belastungsrichtung ausgerichtet sind, ist die Verformung beider Phasen gleich (vorausgesetzt, es gibt keine Delamination an der Faser-Matrix-Grenzfläche). Diese Isostrain-Bedingung liefert die Obergrenze für die Verbundfestigkeit und wird durch die Mischungsregel bestimmt :

Abbildung a) zeigt den Isostress-Zustand, bei dem die Verbundmaterialien senkrecht zur aufgebrachten Kraft stehen, und b) ist der Isostrain-Zustand, bei dem die Schichten parallel zur Kraft sind.

wobei E C der effektive zusammengesetzte Youngsche Modul ist und V i und E i der Volumenanteil bzw. die Young'schen Module der zusammengesetzten Phasen sind.

Bei einem Verbundmaterial aus α- und β-Phasen, wie in der Abbildung rechts unter Isostrain dargestellt, wäre der Young-Modul beispielsweise wie folgt:

wobei V α und V β die jeweiligen Volumenanteile jeder Phase sind. Dies lässt sich ableiten, indem man bedenkt, dass im Isostrain-Fall
Unter der Annahme, dass der Verbundstoff einen einheitlichen Querschnitt hat, ist die Belastung des Verbundstoffs ein gewichteter Durchschnitt zwischen den beiden Phasen,
Die Spannungen in den einzelnen Phasen sind durch das Hookesche Gesetz gegeben,
Die Kombination dieser Gleichungen ergibt, dass die Gesamtspannung im Verbund
Dann kann man zeigen, dass

Isostress-Regel von Mischungen

Die untere Schranke wird durch die Isostressbedingung bestimmt, bei der die Fasern und die Matrix senkrecht zur Belastungsrichtung ausgerichtet sind:

und jetzt werden die Dehnungen zu einem gewichteten Durchschnitt
Umschreiben des Hookeschen Gesetzes für die einzelnen Phasen
Dies führt zu
Aus der Definition des Hookeschen Gesetzes
und allgemein

Wenn man dem obigen Beispiel folgend ein Verbundmaterial aus α- und β-Phasen unter Isostressbedingungen hätte, wie in der Abbildung rechts gezeigt, wäre der Elastizitätsmodul der Zusammensetzung:

Die Isostrain-Bedingung impliziert, dass beide Phasen unter einer angelegten Last die gleiche Belastung erfahren, aber unterschiedliche Belastungen erfahren. Im Vergleich dazu empfinden beide Phasen unter Isostressbedingungen die gleiche Belastung, aber die Belastungen unterscheiden sich zwischen den einzelnen Phasen. Eine verallgemeinerte Gleichung für jede Belastungsbedingung zwischen Isostrain und Isostress kann geschrieben werden als:

wobei X eine Materialeigenschaft wie Modul oder Spannung ist, c, m und r für die Eigenschaften des Verbundmaterials, der Matrix bzw. der Verstärkungsmaterialien stehen und n ein Wert zwischen 1 und –1 ist.

Die obige Gleichung kann über einen Zweiphasenverbund hinaus auf ein m-Komponenten-System verallgemeinert werden:

Obwohl die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs maximiert wird, wenn die Fasern mit der Belastungsrichtung ausgerichtet sind, besteht auch die Möglichkeit eines Faserzugbruchs, wenn angenommen wird, dass die Zugfestigkeit die der Matrix übersteigt. Wenn eine Faser einen Fehlorientierungswinkel aufweist, sind mehrere Bruchmoden möglich. Bei kleinen Werten von θ wird die zum Auslösen des Bruchs erforderliche Spannung um den Faktor (cos θ) −2 aufgrund der vergrößerten Querschnittsfläche ( A cos θ) der Faser und der verringerten Kraft ( F/ cos θ) erhöht, die auf . ausgeübt wird der Faser, was zu einer Verbundzugfestigkeit von σ parallel / cos 2 θ führt, wobei σ parallel die Zugfestigkeit des Verbunds mit parallel zur aufgebrachten Kraft ausgerichteten Fasern ist.

Mittlere Fehlorientierungswinkel θ führen zu Matrixschubversagen. Auch hier wird die Querschnittsfläche modifiziert, aber da Scherspannung nun die treibende Kraft für das Versagen ist, ist die Fläche der Matrix parallel zu den Fasern von Interesse, die um den Faktor 1/sin zunimmt. In ähnlicher Weise nimmt die Kraft parallel zu diesem Bereich wieder ab ( F/ cos θ), was zu einer Gesamtzugfestigkeit von τ my / sin θ cos θ führt, wobei τ my die Matrixscherfestigkeit ist.

Schließlich tritt bei großen Werten von θ (nahe π/2) am wahrscheinlichsten ein transversaler Matrixversagen auf, da die Fasern nicht mehr den Großteil der Last tragen. Dennoch ist die Zugfestigkeit größer als bei der rein senkrechten Ausrichtung, da die Kraft senkrecht zu den Fasern um den Faktor 1/sin θ abnimmt und die Fläche um den Faktor 1/sin θ abnimmt, was eine Verbundzugfestigkeit von . ergibt σ perp / sin 2 θ wobei σ perp die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs mit Fasern ist, die senkrecht zur aufgebrachten Kraft ausgerichtet sind.

Das Diagramm zeigt die drei Bruchmodi, die ein Verbundmaterial je nach dem Winkel der Fehlorientierung relativ zur Ausrichtung der Fasern parallel zur aufgebrachten Spannung erfahren kann.

Die meisten kommerziellen Verbundwerkstoffe werden mit zufälliger Verteilung und Orientierung der Verstärkungsfasern gebildet, wobei in diesem Fall der Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffs zwischen die Isostrain- und Isospannungsgrenzen fällt. Bei Anwendungen, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht so hoch wie möglich ausgelegt ist (wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie), kann die Faserausrichtung jedoch streng kontrolliert werden.

Die Plattensteifigkeit hängt auch von der Konstruktion der Platte ab. Zum Beispiel die verwendete Faserverstärkung und die verwendete Matrix, das Verfahren des Plattenaufbaus, Duroplast im Vergleich zu Thermoplast und die Art des Gewebes.

Im Gegensatz zu Verbundwerkstoffen besitzen isotrope Materialien (z. B. Aluminium oder Stahl) in Standardknetformen trotz der Richtungsorientierung der einwirkenden Kräfte und/oder Momente typischerweise die gleiche Steifigkeit. Der Zusammenhang zwischen Kräften/Momenten und Dehnungen/Krümmungen für ein isotropes Material lässt sich mit den folgenden Materialeigenschaften beschreiben: Elastizitätsmodul, Schubmodul und Poissonzahl in relativ einfachen mathematischen Zusammenhängen. Für das anisotrope Material benötigt es die Mathematik eines Tensors zweiter Ordnung und bis zu 21 Materialeigenschaftskonstanten. Für den Spezialfall der orthogonalen Isotropie gibt es drei unterschiedliche Materialeigenschaftskonstanten für den Elastizitätsmodul, den Schubmodul und die Poisson-Zahl – insgesamt 9 Konstanten, um die Beziehung zwischen Kräften/Momenten und Dehnungen/Krümmungen auszudrücken.

Techniken, die sich die anisotropen Eigenschaften der Materialien zunutze machen, umfassen Zapfen- und Zapfenverbindungen (in natürlichen Verbundwerkstoffen wie Holz) und Pi-Verbindungen in synthetischen Verbundwerkstoffen.

Mechanische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

Partikelverstärkung

Im Allgemeinen verstärkt die Partikelverstärkung die Verbundwerkstoffe weniger als die Faserverstärkung . Es wird verwendet , um die Steifigkeit der Verbundwerkstoffe zu erhöhen und gleichzeitig die Festigkeit und Zähigkeit zu erhöhen . Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften werden sie in Anwendungen eingesetzt, bei denen Verschleißfestigkeit erforderlich ist. Zum Beispiel kann die Härte von Zement durch die Verstärkung von Kiespartikeln drastisch erhöht werden. Partikelverstärkung ist eine sehr vorteilhafte Methode zur Abstimmung der mechanischen Eigenschaften von Materialien, da sie sehr einfach zu implementieren ist und gleichzeitig kostengünstig ist.

Der Elastizitätsmodul von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen kann ausgedrückt werden als:

wobei E der Elastizitätsmodul , V der Volumenanteil ist . Die Indizes c, p und m zeigen Komposit, Partikel bzw. Matrix an. eine Konstante ist, kann empirisch ermittelt werden.

In ähnlicher Weise kann die Zugfestigkeit von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen ausgedrückt werden als:

wobei TS die Zugfestigkeit ist und eine Konstante (ungleich ) ist, die empirisch gefunden werden kann.

Kontinuierliche Faserverstärkung

Im Allgemeinen wird eine kontinuierliche Faserverstärkung implementiert, indem eine Faser als starke Phase in eine schwache Phase, Matrix, eingebaut wird. Der Grund für die Popularität der Verwendung von Fasern ist, dass Materialien mit außergewöhnlicher Festigkeit in ihrer Faserform erhalten werden können. Nichtmetallische Fasern weisen im Vergleich zu Metallfasern aufgrund der kovalenten Natur ihrer Bindungen normalerweise ein sehr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte auf . Das bekannteste Beispiel dafür sind Carbonfasern , die viele Anwendungen haben, die von Sportausrüstung über Schutzausrüstung bis hin zur Raumfahrtindustrie reichen .

Die Belastung des Verbundwerkstoffs kann durch den Volumenanteil der Faser und der Matrix ausgedrückt werden.

wo ist die Spannung, V ist der Volumenanteil . Die Indizes c, f und m bezeichnen Verbundwerkstoff, Faser bzw. Matrix.

Obwohl das Spannungs-Dehnungs- Verhalten von Faserverbundwerkstoffen nur durch Versuche bestimmt werden kann, gibt es einen erwarteten Trend, drei Stufen der Spannungs-Dehnungs-Kurve . Die erste Stufe ist der Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve, in dem sowohl die Faser als auch die Matrix elastisch verformt werden . Dieser linear elastische Bereich kann in der folgenden Form ausgedrückt werden.

Dabei ist die Spannung, die Dehnung, E der Elastizitätsmodul und V der Volumenanteil . Die Indizes c, f und m zeigen Verbundwerkstoff, Faser bzw. Matrix an.

Nach Durchlaufen des elastischen Bereichs für Faser und Matrix kann der zweite Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve beobachtet werden. Im zweiten Bereich wird die Faser noch elastisch verformt, während die Matrix plastisch verformt wird, da die Matrix die Schwachphase ist. Der Momentanmodul kann unter Verwendung der Steigung der Spannungs-Dehnungs - Kurve in dem zweiten Bereich bestimmt werden. Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung kann wie folgt ausgedrückt werden:

Dabei ist die Spannung, die Dehnung, E der Elastizitätsmodul und V der Volumenanteil . Die Indizes c, f und m zeigen Verbundwerkstoff, Faser bzw. Matrix an. Um den Modul im zweiten Bereich zu finden, kann die Ableitung dieser Gleichung verwendet werden, da die Steigung der Kurve gleich dem Modul ist.

In den meisten Fällen kann davon ausgegangen werden, da der zweite Term viel kleiner ist als der erste.

In Wirklichkeit gibt die Ableitung der Spannung in Bezug auf die Dehnung aufgrund der Bindungswechselwirkung zwischen der Faser und der Matrix nicht immer den Modul zurück . Die Stärke der Wechselwirkung zwischen diesen beiden Phasen kann zu Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs führen. Die Kompatibilität von Faser und Matrix ist ein Maß für die Eigenspannung .

Die kovalent gebundenen hochfesten Fasern (zB Kohlefasern ) erfahren vor dem Bruch meist eine elastische Verformung , da die plastische Verformung durch Versetzungsbewegungen erfolgen kann . Während metallische Fasern mehr Raum haben, um sich plastisch zu verformen, weisen ihre Verbundstoffe eine dritte Stufe auf, in der sowohl die Faser als auch die Matrix plastisch verformt werden. Metallfasern haben viele Anwendungen zu arbeiten bei kryogenen Temperaturen , die einer der Vorteile von Verbundwerkstoffen mit sind Metallfasern über nichtmetallisch. Die Spannung in diesem Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve kann ausgedrückt werden als

Dabei ist die Spannung, die Dehnung, E der Elastizitätsmodul und V der Volumenanteil . Die Indizes c, f und m zeigen Verbundwerkstoff, Faser bzw. Matrix an. und gelten für Faser- bzw. Matrixströmungsspannungen. Gleich nach dem dritten Bereich weist der Verbund eine Einschnürung auf . Die Einschnürungsdehnung des Verbundstoffs liegt zufällig zwischen der Einschnürungsdehnung der Faser und der Matrix, genau wie andere mechanische Eigenschaften der Verbundstoffe. Die Einschnürung der schwachen Phase wird durch die starke Phase verzögert. Der Betrag der Verzögerung hängt vom Volumenanteil der starken Phase ab.

Somit kann die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs als Volumenanteil ausgedrückt werden .

Dabei ist TS die Zugfestigkeit , die Spannung, die Dehnung, E der Elastizitätsmodul und V der Volumenanteil . Die Indizes c, f und m zeigen Verbundwerkstoff, Faser bzw. Matrix an. Die Verbundzugfestigkeit kann ausgedrückt werden als

for ist kleiner oder gleich (beliebiger kritischer Wert des Volumenanteils)

für ist größer oder gleich

Der kritische Wert des Volumenanteils kann ausgedrückt werden als:

Offensichtlich kann die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs höher als die der Matrix sein, wenn sie größer als ist .

Somit kann der minimale Volumenanteil der Faser ausgedrückt werden als:

Obwohl dieser Mindestwert in der Praxis sehr niedrig ist, ist es sehr wichtig zu wissen, da der Grund für die Einarbeitung von Endlosfasern darin besteht, die mechanischen Eigenschaften der Materialien/Verbundstoffe zu verbessern, und dieser Wert des Volumenanteils ist die Schwelle dieser Verbesserung.

Die Wirkung der Faserorientierung

Die Änderung der Faserorientierung kann die mechanischen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe insbesondere die Zugfestigkeit beeinflussen.

Die Verbundzugfestigkeit kann in Abhängigkeit von den (0° bis 10°-Winkel), dem Winkel zwischen der beantragten und der Orientierung der Fasern vorhergesagt werden.

wobei TS die Zugfestigkeit ist , ist die Parallelspannung.

Aufgrund der Fehlorientierung erfährt die Matrix des Verbundwerkstoffs eine Scherkraft. Die Zugfestigkeit von Verbundwerkstoffen (10° – 60° Winkel) aufgrund von Scherversagen der Matrix kann ausgedrückt werden als:

wobei TS die Zugfestigkeit ist , ist die Schubspannung.

Ist der Winkel noch größer als (60° – 90° Winkel), wird eine andere Versagensart, die Transversalmode, wirksam. Die Verbundquerbruchfestigkeit kann ausgedrückt werden als:

wobei TS die Zugfestigkeit ist , ist die senkrechte Spannung.

Somit kann der Winkel, bei dem der Übergang in den Bruchmodus ausgedrückt werden kann als

Dabei ist der kritische Winkel, die Parallelspannung und die Schubspannung.

Dieser kritische Winkel ist für das Design der Verbundmaterialien für bestimmte Anwendungen wichtig.

Faserarten und ihre mechanischen Eigenschaften

Die in der Industrie am häufigsten verwendeten Faserarten sind Glasfasern , Kohlefasern und Kevlar aufgrund ihrer einfachen Herstellung und Verfügbarkeit. Es ist sehr wichtig, ihre mechanischen Eigenschaften zu kennen, daher ist die Tabelle ihrer mechanischen Eigenschaften unten aufgeführt, um sie mit S97- Stahl zu vergleichen . Der Faserorientierungswinkel ist wegen der Anisotropie von Faserverbundwerkstoffen sehr wichtig (nähere Erläuterungen finden Sie im Abschnitt "Physikalische Eigenschaften"). Die mechanischen Eigenschaften der Verbundstoffe können unter Verwendung mechanischer Standardprüfverfahren getestet werden, indem die Proben in verschiedenen Winkeln (die Standardwinkel sind 0°, 45° und 90°) in Bezug auf die Orientierung der Fasern innerhalb der Verbundstoffe positioniert werden. Im Allgemeinen macht eine axiale Ausrichtung von 0° Verbundwerkstoffe widerstandsfähig gegen Längsbiegung und axiale Zug-/Druckbelastung, eine 90°-Umreifungsausrichtung wird verwendet, um Widerstand gegen Innen-/Außendruck zu erhalten, und ± 45° ist die ideale Wahl, um Widerstand gegen reine Torsion zu erzielen.

Mechanische Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

Fasern @ 0° (UD), 0/90° (Stoff) zur Belastungsachse, Trocken, Raumtemperatur, V f = 60 % (UD), 50 % (Stoff) Faser / Epoxidharz (ausgehärtet bei 120 °C)
Symbol Einheiten Standard

Kohlefaser

Stoff

Hoher Modul

Kohlefaser

Stoff

E-Glas

Glasfasergewebe

Kevlar

Stoff

Standard

Unidirektional

Kohlefaser

Stoff

Hoher Modul

Unidirektional

Kohlefaser

Stoff

E-Glas

Unidirektional

Glasfasergewebe

Kevlar

Unidirektionales Gewebe

Stahl

S97

Elastizitätsmodul 0° E1 GPa 70 85 25 30 135 175 40 75 207
Elastizitätsmodul 90° E2 GPa 70 85 25 30 10 8 8 6 207
Schubmodul in der Ebene G12 GPa 5 5 4 5 5 5 4 2 80
Major Poisson's Ratio v12 0,10 0,10 0.20 0.20 0,30 0,30 0,25 0,34
Ult. Zugfestigkeit 0° Xt MPa 600 350 440 480 1500 1000 1000 1300 990
Ult. Komp. Stärke 0° Xc MPa 570 150 425 190 1200 850 600 280
Ult. Zugfestigkeit 90° Yt MPa 600 350 440 480 50 40 30 30
Ult. Komp. Stärke 90° Yc MPa 570 150 425 190 250 200 110 140
Ult. In-Plane-Scherstren. S MPa 90 35 40 50 70 60 40 60
Ult. Zugdehnung 0° ext % 0,85 0,40 1,75 1,60 1,05 0,55 2.50 1,70
Ult. Komp. Dehnung 0° exc % 0,80 0,15 1,70 0,60 0,85 0,45 1,50 0,35
Ult. Zugdehnung 90° eyt % 0,85 0,40 1,75 1,60 0,50 0,50 0,35 0,50
Ult. Komp. Dehnung 90° eyc % 0,80 0,15 1,70 0,60 2.50 2.50 1,35 2.30
Ult. Schubdehnung in der Ebene es % 1,80 0,70 1.00 1.00 1,40 1,20 1.00 3.00
Dichte g/cm³ 1,60 1,60 1,90 1,40 1,60 1,60 1,90 1,40


Fasern @ ±45 Grad. zur Ladeachse, Trocken, Raumtemperatur, Vf = 60 % (UD), 50 % (Stoff)
Symbol Einheiten Standard

Kohlefaser

Hoher Modul

Kohlefaser

E-Glas

Glasfaser

Standard

Kohlefasern

Stoff

E-Glas

Glasfasergewebe

Stahl Al
Längsmodul E1 GPa 17 17 12,3 19.1 12.2 207 72
Quermodul E2 GPa 17 17 12,3 19.1 12.2 207 72
Im ebenen Schubmodul G12 GPa 33 47 11 30 8 80 25
Poisson-Verhältnis v12 .77 .83 .53 .74 .53
Zerreißfestigkeit Xt MPa 110 110 90 120 120 990 460
Druckfestigkeit Xc MPa 110 110 90 120 120 990 460
In der Ebene Scherfestigkeit S MPa 260 210 100 310 150
Wärmeausdehnungskoeffizient Alpha1 Dehnung/K 2.15 E-6 0,9 E-6 12 E-6 4.9 E-6 10 E-6 11 E-6 23 E-6
Feuchtigkeits-Koef Beta1 Dehnung/K 3.22 E-4 2,49 E-4 6.9 E-4

Mechanische Eigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Luft- und Raumfahrtqualität und kommerzieller Qualität, Glasfaserverbundwerkstoffen und Aluminiumlegierungen und -stahl

Diese Tabelle zeigt eines der wichtigsten Merkmale und Vorteile von Faserverbundwerkstoffen gegenüber Metall, nämlich spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit. Obwohl der Stahl und die Aluminiumlegierung eine vergleichbare Festigkeit und Steifigkeit mit Faserverbundwerkstoffen aufweisen, sind die spezifische Festigkeit und Steifigkeit von Verbundwerkstoffen etwa höher als die von Stahl und der Aluminiumlegierung .

Vergleich von Kosten, spezifischer Festigkeit und spezifischer Steifigkeit
Kohlefaser-Verbundwerkstoff (Luftfahrtqualität) Kohlefaser-Verbundwerkstoff (kommerziell) Glasfaser-Verbundstoff Aluminium 6061 T-6 Stahl,

Leicht

Kosten $/LB $20 – $250+ $5 – $20 1,50 $ – 3,00 $ $3 0,30 $
Stärke (psi) 90.000 – 200.000 50.000 – 90.000 20.000 – 35.000 35.000 60.000
Steifigkeit (psi) 10 x 10 6 - 50 x 10 6 8 x 10 6 – 10 x 10 6 1 x 10 6 – 1,5 x 10 6 10 x 10 6 30 x 10 6
Dichte (lb/in3) 0,050 0,050 0,055 0,10 0,30
Spezifische Stärke 1,8 x 10 6 – 4 x 10 6 1 x 10 6 – 1,8 x 363.640–636.360 350.000 200.000
Spezifische Steifigkeit 200 x 10 6 – 1.000 x 10 6 160 x 10 6 -200 x 10 6 18 x 10 6 -27 x 10 6 100 x 10 6 100 x 10 6

Versagen

Stöße, Stöße oder wiederholte zyklische Belastungen können dazu führen, dass sich das Laminat an der Grenzfläche zwischen zwei Schichten trennt, ein Zustand, der als Delamination bekannt ist . Einzelne Fasern können sich von der Matrix trennen, zum Beispiel Faserauszug .

Verbundwerkstoffe können im makroskopischen oder mikroskopischen Maßstab versagen . Druckfehler können sowohl im Makromaßstab als auch bei jeder einzelnen Verstärkungsfaser beim Druckbeulen auftreten. Spannungsversagen können Nettoquerschnittsversagen des Teils oder eine Verschlechterung des Verbundstoffs im mikroskopischen Maßstab sein, wobei eine oder mehrere der Schichten im Verbundstoff unter Spannung der Matrix oder Versagen der Bindung zwischen der Matrix und den Fasern versagen.

Einige Verbundwerkstoffe sind spröde und besitzen eine geringe Reservekraft über das anfängliche Einsetzen des Versagens hinaus, während andere große Verformungen aufweisen und eine Reserveenergieabsorptionskapazität nach dem Einsetzen des Schadens aufweisen können. Die Unterschiede in Fasern und Matrizen , die verfügbar und sind Mischungen , die mit Mischungen hergestellt werden können , lassen ein sehr breites Spektrum von Eigenschaften , die in eine Verbundstruktur ausgebildet sein können. Das bekannteste Versagen eines spröden Keramik-Matrix-Verbundmaterials trat auf, als die Karbon-Kohlenstoff-Verbundkachel an der Vorderkante des Flügels des Space Shuttle Columbia beim Aufprall beim Start brach. Sie bezog sich auf die katastrophale Auflösung des Fahrzeugs beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre am 1. Februar 2003.

Verbundwerkstoffe haben im Vergleich zu Metallen eine relativ geringe Tragfestigkeit.

Testen

Verbundwerkstoffe werden vor und nach der Konstruktion getestet, um Fehler vorherzusagen und zu vermeiden. Bei Tests vor dem Bau kann die Finite-Elemente-Analyse (FEA) für die lagenweise Analyse von gekrümmten Oberflächen und die Vorhersage von Faltenbildung, Kräuselung und Grübchenbildung von Verbundwerkstoffen verwendet werden. Materialien können während der Herstellung und nach dem Bau mit verschiedenen zerstörungsfreien Methoden getestet werden, einschließlich Ultraschall, Thermografie, Shearografie und Röntgenradiografie sowie Laserbondinspektion auf NDT der relativen Bondfestigkeitsintegrität in einem lokalisierten Bereich.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Robert M. Jones (1999). Mechanik von Verbundwerkstoffen (2. Aufl.). Taylor & Franz. ISBN 9781560327127.
  • Cederbaum G., Elishakow I., Aboudi J., Librescu L. (1992). Zufällige Schwingungen und Zuverlässigkeit von Verbundstrukturen . Technomisch. Bibcode : 1992tech.book.....C .CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  • Librescu L., Song O. (2006). Dünnwandige Verbundträger: Theorie und Anwendung . Springer.
  • Polymere und Polymerverbundstoffe: Eine Referenzserie . Springer. 1999.
  • Autar K. Kaw (2005). Mechanik von Verbundwerkstoffen (2. Aufl.). CRC. ISBN 978-0-8493-1343-1.
  • Handbook of Polymer Composites for Engineers Von Leonard Hollaway Veröffentlicht 1994 Woodhead Publishing
  • Madbouly, Samy, Chaoqun Zhang und Michael R. Kessler. Biobasierte Pflanzenölpolymere und Verbundstoffe. William Andreas, 2015.
  • Matthews, Florida; Rawlings, RD (1999). Verbundwerkstoffe: Technik und Wissenschaft . Boca Raton: CRC-Presse. ISBN 978-0-8493-0621-1.

Externe Links