Herstellung von Verbundwerkstoffen und Verbundprodukten

Einfach definiert sind VERBUNDSTOFFE oder VERBUNDMATERIALIEN Materialien, die aus zwei oder mehreren Materialien mit unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften bestehen, aber wenn sie kombiniert werden, werden sie zu einem Material, das sich von den einzelnen Materialien unterscheidet. Wir müssen darauf hinweisen, dass die konstituierenden Materialien getrennt und unterschiedlich in der Struktur bleiben. Das Ziel bei der Herstellung eines Verbundmaterials besteht darin, ein Produkt zu erhalten, das seinen Bestandteilen überlegen ist und die gewünschten Eigenschaften aller Bestandteile vereint. Als Beispiel; Festigkeit, geringes Gewicht oder niedrigerer Preis können die Motivatoren für die Entwicklung und Herstellung eines Verbundwerkstoffs sein. Die Art von Verbundwerkstoffen, die wir anbieten, sind partikelverstärkte Verbundwerkstoffe, faserverstärkte Verbundwerkstoffe einschließlich Keramikmatrix-/Polymermatrix-/Metallmatrix-/Kohlenstoff-Kohlenstoff-/Hybridverbundwerkstoffe, strukturelle & laminierte & Verbundwerkstoffe mit Sandwichstruktur und Nanoverbundwerkstoffe.

 

Die Fertigungstechniken, die wir bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen einsetzen, sind: Pultrusion, Prepreg-Produktionsprozesse, Advanced Fiber Placement, Filament Winding, Tailored Fiber Placement, Glasfaser-Spray-Lay-up-Verfahren, Tufting, Lanxid-Verfahren, Z-Pinning.
Viele Verbundmaterialien bestehen aus zwei Phasen, der Matrix, die kontinuierlich ist und die andere Phase umgibt; und die dispergierte Phase, die von der Matrix umgeben ist.
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Dies wird Ihnen helfen, die Informationen, die wir Ihnen unten zur Verfügung stellen, besser zu verstehen. 

 

• PARTIKELVERSTÄRKTE VERBUNDSTOFFE: Diese Kategorie besteht aus zwei Typen: Großteilige Verbundwerkstoffe und dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe. Beim erstgenannten Typ können Teilchen-Matrix-Wechselwirkungen nicht auf atomarer oder molekularer Ebene behandelt werden. Stattdessen gilt die Kontinuumsmechanik. Andererseits sind in dispersionsverstärkten Verbundwerkstoffen die Partikel im Allgemeinen viel kleiner im Bereich von mehreren zehn Nanometern. Ein Beispiel für Verbundstoffe mit großen Partikeln sind Polymere, denen Füllstoffe zugesetzt wurden. Die Füllstoffe verbessern die Eigenschaften des Materials und können einen Teil des Polymervolumens durch ein wirtschaftlicheres Material ersetzen. Die Volumenanteile der beiden Phasen beeinflussen das Verhalten des Verbundstoffs. Verbundwerkstoffe mit großen Partikeln werden mit Metallen, Polymeren und Keramiken verwendet. Die CERMETS sind Beispiele für Keramik/Metall-Verbundstoffe. Unser gebräuchlichstes Cermet ist Hartmetall. Es besteht aus feuerfester Karbidkeramik wie Wolframkarbidpartikeln in einer Matrix aus einem Metall wie Kobalt oder Nickel. Diese Hartmetallverbundwerkstoffe werden weithin als Schneidwerkzeuge für gehärteten Stahl verwendet. Die harten Hartmetallpartikel sind für die Schneidwirkung verantwortlich und ihre Zähigkeit wird durch die duktile Metallmatrix erhöht. Somit erhalten wir die Vorteile beider Materialien in einem einzigen Verbund. Ein weiteres gängiges Beispiel für einen Verbundstoff mit großen Partikeln, den wir verwenden, sind Rußpartikel, die mit vulkanisiertem Kautschuk gemischt werden, um einen Verbundstoff mit hoher Zugfestigkeit, Zähigkeit, Reiß- und Abriebfestigkeit zu erhalten. Ein Beispiel für einen dispersionsverfestigten Verbundstoff sind Metalle und Metalllegierungen, die durch die gleichmäßige Verteilung feiner Teilchen eines sehr harten und inerten Materials verstärkt und gehärtet werden. Wenn der Aluminiummetallmatrix sehr kleine Aluminiumoxidflocken hinzugefügt werden, erhalten wir gesintertes Aluminiumpulver, das eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit aufweist. 

 

• FASERVERSTÄRKTE VERBUNDSTOFFE: Diese Kategorie von Verbundwerkstoffen ist tatsächlich die wichtigste. Das zu erreichende Ziel ist eine hohe Festigkeit und Steifigkeit pro Gewichtseinheit. Die Faserzusammensetzung, -länge, -orientierung und -konzentration in diesen Verbundstoffen ist entscheidend für die Bestimmung der Eigenschaften und Nützlichkeit dieser Materialien. Es gibt drei Gruppen von Fasern, die wir verwenden: Whiskers, Fasern und Drähte. WHISKER sind sehr dünne und lange Einkristalle. Sie gehören zu den stärksten Materialien. Einige beispielhafte Whiskermaterialien sind Graphit, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid.  FASERN hingegen sind meist Polymere oder Keramiken und liegen in polykristallinem oder amorphem Zustand vor. Die dritte Gruppe sind feine DRÄHTE, die relativ große Durchmesser haben und häufig aus Stahl oder Wolfram bestehen. Ein Beispiel für drahtverstärkte Verbundwerkstoffe sind Autoreifen, die Stahldraht in Gummi enthalten. Je nach Matrixmaterial haben wir folgende Verbundwerkstoffe:
POLYMER-MATRIX-VERBUNDSTOFFE: Diese bestehen aus einem Polymerharz und Fasern als Verstärkungsbestandteil. Eine Untergruppe dieser Verbundwerkstoffe aus glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) enthält kontinuierliche oder diskontinuierliche Glasfasern in einer Polymermatrix. Glas bietet eine hohe Festigkeit, ist wirtschaftlich, lässt sich leicht zu Fasern verarbeiten und ist chemisch inert. Die Nachteile sind ihre begrenzte Steifigkeit und Steifheit, die Einsatztemperaturen betragen nur bis zu 200 – 300 Grad Celsius. Fiberglas eignet sich für Automobilkarosserien und Transportausrüstung, Schiffskarosserien, Lagerbehälter. Aufgrund der begrenzten Steifigkeit sind sie weder für die Luft- und Raumfahrt noch für den Brückenbau geeignet. Die andere Untergruppe heißt Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFK) Composite. Carbon ist hier unser Fasermaterial in der Polymermatrix. Kohlenstoff ist bekannt für seinen hohen spezifischen Modul und seine hohe Festigkeit und seine Fähigkeit, diese bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Kohlenstofffasern können uns standardmäßige, mittlere, hohe und ultrahohe Zugfestigkeitsmodule bieten. Darüber hinaus bieten Kohlenstofffasern vielfältige physikalische und mechanische Eigenschaften und eignen sich daher für verschiedene kundenspezifische technische Anwendungen. CFK-Verbundwerkstoffe können zur Herstellung von Sport- und Freizeitgeräten, Druckbehältern und Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt in Betracht gezogen werden. Noch eine andere Untergruppe, die Aramid-faserverstärkten Polymerverbundstoffe, sind ebenfalls Materialien mit hoher Festigkeit und Modulus. Ihr Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist herausragend hoch. Aramidfasern sind auch unter den Handelsnamen KEVLAR und NOMEX bekannt. Unter Spannung verhalten sie sich besser als andere polymere Fasermaterialien, aber sie sind schwach bei Kompression. Aramidfasern sind zäh, schlagzäh, kriech- und ermüdungsbeständig, hochtemperaturbeständig, chemisch inert außer gegenüber starken Säuren und Basen. Aramidfasern werden häufig in Sportartikeln, kugelsicheren Westen, Reifen, Seilen und Glasfaserkabelummantelungen verwendet. Andere Faserverstärkungsmaterialien existieren, werden aber in geringerem Maße verwendet. Dies sind hauptsächlich Bor, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid. Andererseits ist auch das Polymermatrixmaterial kritisch. Sie bestimmt die maximale Gebrauchstemperatur des Verbundwerkstoffs, da das Polymer im Allgemeinen eine niedrigere Schmelz- und Abbautemperatur hat. Als Polymermatrix werden häufig Polyester und Vinylester verwendet. Es werden auch Harze verwendet, die eine ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann Polyimidharz bis zu etwa 230 Grad Celsius verwendet werden. 
METALLMATRIX-VERBUNDSTOFFE: Bei diesen Materialien verwenden wir eine duktile Metallmatrix, und die Betriebstemperaturen sind im Allgemeinen höher als die ihrer Bestandteile. Im Vergleich zu Polymermatrix-Verbundwerkstoffen können diese höhere Betriebstemperaturen aufweisen, nicht entflammbar sein und eine bessere Abbaubeständigkeit gegenüber organischen Flüssigkeiten aufweisen. Allerdings sind sie teurer. Verstärkungsmaterialien wie Whiskers, Partikel, kontinuierliche und diskontinuierliche Fasern; und Matrixmaterialien wie Kupfer, Aluminium, Magnesium, Titan, Superlegierungen werden üblicherweise verwendet. Beispielanwendungen sind Motorkomponenten aus einer Aluminiumlegierungsmatrix, die mit Aluminiumoxid und Kohlefasern verstärkt ist. 
KERAMIK-MATRIX-VERBUNDSTOFFE: Keramische Werkstoffe sind bekannt für ihre außergewöhnlich gute Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen. Sie sind jedoch sehr spröde und haben niedrige Werte für die Bruchzähigkeit. Durch das Einbetten von Partikeln, Fasern oder Whiskern einer Keramik in die Matrix einer anderen können wir Verbundwerkstoffe mit höherer Bruchzähigkeit erzielen. Diese eingebetteten Materialien hemmen grundsätzlich die Rissausbreitung innerhalb der Matrix durch einige Mechanismen, wie z. B. das Ablenken der Rissspitzen oder das Bilden von Brücken über Rissflächen. Beispielsweise werden mit SiC-Whiskern verstärkte Aluminiumoxide als Schneidwerkzeugeinsätze zur Bearbeitung von Hartmetalllegierungen verwendet. Diese können im Vergleich zu Hartmetallen bessere Leistungen zeigen.  
CARBON-CARBON COMPOSITES: Sowohl die Verstärkung als auch die Matrix bestehen aus Kohlenstoff. Sie haben hohe Zugmodule und Festigkeiten bei hohen Temperaturen über 2000 °C, Kriechfestigkeit, hohe Bruchzähigkeit, niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten, hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Anwendungen, die Temperaturwechselbeständigkeit erfordern. Die Schwäche von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen ist jedoch ihre Anfälligkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen. Typische Anwendungsbeispiele sind Heißpressformen und die Herstellung fortschrittlicher Turbinentriebwerkskomponenten. 
HYBRIDVERBUNDSTOFFE: Zwei oder mehr verschiedene Fasertypen werden in einer einzigen Matrix gemischt. Man kann also ein neues Material mit einer Kombination von Eigenschaften maßschneidern. Ein Beispiel ist, wenn sowohl Kohlenstoff- als auch Glasfasern in ein Polymerharz eingearbeitet werden. Kohlefasern bieten Steifigkeit und Festigkeit mit geringer Dichte, sind aber teuer. Das Glas hingegen ist preiswert, hat aber nicht die Steifigkeit von Kohlefasern. Der Glas-Kohlenstoff-Hybridverbund ist fester und zäher und kann kostengünstiger hergestellt werden.
VERARBEITUNG VON FASERVERSTÄRKTEN VERBUNDSTOFFEN: Für endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit gleichmäßig verteilten, gleichgerichteten Fasern wenden wir folgende Techniken an.
PULTRUSION: Es werden Stäbe, Träger und Rohre mit durchgehenden Längen und konstanten Querschnitten hergestellt. Kontinuierliche Faserrovings werden mit einem duroplastischen Harz imprägniert und durch eine Stahldüse gezogen, um sie in eine gewünschte Form vorzuformen. Als nächstes passieren sie eine präzisionsgefertigte Härtungsmatrize, um ihre endgültige Form zu erreichen. Da die Härtungsform erhitzt wird, härtet sie die Harzmatrix aus. Puller ziehen das Material durch die Matrizen. Durch eingelegte Hohlkerne sind wir in der Lage, Rohre und Hohlgeometrien herzustellen. Das Pultrusionsverfahren ist automatisiert und bietet uns hohe Produktionsraten. Jede Produktlänge kann hergestellt werden. 
PREPREG-HERSTELLUNGSVERFAHREN: Prepreg ist eine Endlosfaserverstärkung, die mit einem teilweise ausgehärteten Polymerharz vorimprägniert ist. Es wird häufig für strukturelle Anwendungen verwendet. Das Material liegt in Bandform vor und wird als Band versendet. Der Hersteller formt es direkt und härtet es vollständig aus, ohne dass Harz hinzugefügt werden muss. Da Prepregs bei Raumtemperatur Härtungsreaktionen durchlaufen, werden sie bei 0°C oder niedrigeren Temperaturen gelagert. Nach Gebrauch werden die restlichen Bänder wieder bei niedrigen Temperaturen gelagert. Es werden thermoplastische und duroplastische Harze verwendet, und Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, Aramid und Glas sind üblich. Zur Verwendung von Prepregs wird zunächst das Trägerpapier entfernt und anschließend die Konfektionierung durch Auflegen des Prepreg-Tapes auf eine bearbeitete Oberfläche (Lay-up-Verfahren) durchgeführt. Mehrere Lagen können aufeinandergelegt werden, um die gewünschte Dicke zu erhalten. Häufige Praxis besteht darin, die Faserorientierung zu ändern, um ein Kreuzlagen- oder Winkellagenlaminat herzustellen. Schließlich werden Wärme und Druck zum Aushärten angewendet. Beim Zuschnitt von Prepregs und Lay-up kommen sowohl Handverarbeitung als auch automatisierte Prozesse zum Einsatz.
FILAMENTWICKLUNG: Kontinuierliche Verstärkungsfasern werden genau in einem vorbestimmten Muster positioniert, um einer hohlen   und normalerweise zylindrischen Form zu folgen. Die Fasern durchlaufen zunächst ein Harzbad und werden dann von einem automatisierten System auf einen Dorn gewickelt. Nach mehreren Wicklungswiederholungen werden die gewünschten Dicken erreicht und die Aushärtung erfolgt entweder bei Raumtemperatur oder in einem Ofen. Nun wird der Dorn entfernt und das Produkt entformt. Das Filamentwickeln kann sehr hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse bieten, indem die Fasern in Umfangs-, Spiral- und Polarmustern gewickelt werden. Mit dieser Technik werden Rohre, Tanks, Gehäuse hergestellt. 

 

• STRUKTURELLE VERBUNDSTOFFE: Im Allgemeinen bestehen diese sowohl aus homogenen als auch aus zusammengesetzten Materialien. Daher werden deren Eigenschaften durch die Materialien und die geometrische Gestaltung ihrer Elemente bestimmt. Hier sind die wichtigsten Typen:
LAMINARE VERBUNDSTOFFE: Diese Strukturmaterialien bestehen aus zweidimensionalen Platten oder Platten mit bevorzugten hochfesten Richtungen. Schichten werden gestapelt und zusammenzementiert. Durch Abwechseln der hochfesten Richtungen in den beiden senkrechten Achsen erhalten wir einen Verbundwerkstoff, der in der zweidimensionalen Ebene in beiden Richtungen hochfest ist. Durch Einstellen der Winkel der Schichten kann man einen Verbundstoff mit Festigkeit in den bevorzugten Richtungen herstellen. Moderne Ski werden auf diese Weise hergestellt. 
SANDWICHPANEELE: Diese strukturellen Verbundwerkstoffe sind leicht, haben aber dennoch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit. Sandwichplatten bestehen aus zwei Außenblechen aus einem steifen und starken Material wie Aluminiumlegierungen, faserverstärkten Kunststoffen oder Stahl und einem Kern zwischen den Außenblechen. Der Kern muss leicht sein und meistens einen niedrigen Elastizitätsmodul haben. Beliebte Kernmaterialien sind starre Polymerschäume, Holz und Waben. Sandwichplatten werden in der Bauindustrie als Dachmaterial, Boden- oder Wandmaterial und auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet verwendet.  

 

• NANOKOMPOSITE: Diese neuen Materialien bestehen aus Partikeln in Nanogröße, die in eine Matrix eingebettet sind. Mit Nanokompositen können wir Gummimaterialien herstellen, die sehr gute Barrieren gegen das Eindringen von Luft darstellen, während ihre Gummieigenschaften unverändert bleiben.