Was sind Composites?

Verbund- bzw. Composite-Materialien entstehen durch die Kombination von zwei oder mehr Grundstoffen. Die Kombination der Materialien führt zu besseren mechanischen Eigenschaften als die Ausgangsstoffe allein. Typischerweise bestehen Composites aus einer Verstärkung (wie zum Beispiel z.B. Glas-, Carbon oder Aramid-Fasern) und einer Matrix (zum Beispiel Kunststoffharz), in die die Fasern eingebettet sind. Carbon-Faserverstärkter Kunststoff (CFK) ist eine spezifische Art von einem Verbundmaterial, bei der Carbonfasern als Verstärkung verwendet werden. Diese Kombination gilt als ein Beispiel für sehr hochleistungsfähige Composites.

Arten von Composites

Composites werden u.a. nach ihrer Zusammensetzung klassifiziert. Es gibt Verbunde mit Partikeln, Kurzfasern und Endlosfasern. Die Wahl des Typs beeinflusst die mechanischen Eigenschaften: einerseits die Steifigkeit («Grad an Verformung bei einer bestimmten Belastung») und andererseits die Festigkeit («Grenzwert der Belastung, bei der ein Material versagt»).

CFK-Biegesteifigkeit

Die Biegesteifigkeit von CFK hängt massgeblich von der Art der Fasern ab. Faserverbunde mit Endlosfasern bieten in der Regel die beste Kombination aus Steifigkeit und Festigkeit. Im Vergleich sind Verbunde mit Partikeln oder Kurzfasern weniger steif und weniger fest, was sie für hochbelastete Anwendungen weniger geeignet macht.

Typische Verstärkungsfasern

Zu den gängigen Verstärkungsfasern gehören Carbon, Glas, Aramid und Naturfasern. Carbonfasern sind besonders für ihre hohen mechanischen Eigenschaften im Verhältnis zu ihrer geringen Dichte bekannt. Diese werden in Unterkategorien wie hochfest (HT), intermediär (IM), hochsteif (HM) und ultrasteif (UHM) unterteilt.

Faserverbund-verstehen-welche arten-steifigkeit-von-faserverbund

Typische Verstärkungsfasern:

⦁ Carbon
⦁ Glas
⦁ Aramid
⦁ Naturfasern

Verschiedene Kategorien von Carbon-Fasern:

⦁ High Tension HT (hoch-fest)
⦁ Intermediate IM (dazwischen)
⦁ High Modulus HM (hoch-steif)
⦁ Ultrahigh Modulus UHM (ultra-steif)

Verschiedene Formen und Längen:

Grundsätzlich unterscheidet man bei Verstärkungsfasern zwischen «Endlos-Fasern» und «Kurz(geschnittene)Fasern».
Je nach Anwendungsfall und Belastungszustand des Bauteils können Endlosfasern in einer Schicht alle parallel ausgerichtet sein (uni-direktional oder kurz: UD) oder zu einem textilen Gewebe verwoben sein. Wenn mehrere UD-Schichten übereinander in verschiedenen Orientierungen (Winkelausrichtung) angeordnet werden spricht man auch von Multi-Axial-Gelegen.
Im Gegensatz dazu werden geschnittene Fasern als Kurzfasern (0,5 bis 2mm) in Spritzguss-Massen als Verstärkung eingesetzt oder als «Langfasern (10-50mm) in Wirrmatten oder Vliesen eingesetzt.

Ein einzelne Faser – auch Filament genannt – ist dabei mit einem Durchmesser von ca. 10 Micrometern dünner als ein menschliches Haar.

CFK Aufbau und Bauweise

Hochbelastete CFK-Bauteile werden aus mehreren Schichten von Carbonfasern hergestellt, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Der Schichtaufbau kann individuell gestaltet werden, um spezifische mechanische Eigenschaften zu erreichen. Die Faserausrichtung in den einzelnen Lagen spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Belastungsrichtung.

Das Prinzip von Laminaten beziehungsweise die Bedeutung der Faserausrichtung ist in der unteren Abbildung dargestellt:

Die Kombination aus verschiedenen Faserwinkeln ergibt unterschiedliche Eigenschaften von Laminaten (Schichtaufbau aus verschiedenen Lagen)

Dichte und mechanische Eigenschaften von CFK

Die Dichte von CFK liegt typischerweise bei etwa 1,55 bis 1,65 g/cm³ und ist damit deutlich niedriger als die von Metallen wie Stahl oder Aluminium. Die Steifigkeit von CFK liegt im Bereich 50 bis 150 GPa, abhängig von dem Lagenaufbau. der Faserausrichtung und dem Herstellungsprozess. Die Zugfestigkeit in Faserrichtung liegt etwa im Bereich von 1500 bis 2000 MPa, was CFK zu einem der stärksten verfügbaren Materialien im Verhältnis zu seiner geringen Dichte macht.

Vorteile von Composites

Composites, insbesondere CFK, bieten zahlreiche Vorteile:

Leichtes Gewicht aufgrund der höheren spezifischen Festigkeit bzw. Steifigkeit bezogen auf die Dichte (besonders bei Endlos-Verstärkung)

Möglichkeit, durch Ausrichtung der Fasern ein optimales und effizientes Tragverhalten einzustellen („belastungsgerechtes Design“)

Keine Korrosion im Vergleich zu Metallen

Exzellente Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien sowie harsche Umgebungsbedingungen

Deutlich geringere Werkstoff-Ermüdung bei dynamischen Lasten und somit längere Lebensdauer möglich

Konstruktionen aus Composites, wie CFK, ermöglichen oft einen höheren Integrationsgrad (weniger Einzelteile/Komponenten).

Mehr über Composites der Connova

Anwendungen von Composites

Composites finden in einer Vielzahl von Branchen Anwendung, darunter Luftfahrt, Automobilbau, Motorsport, Medizin, Energie und Sport. Besonders CFK wird in Bereichen eingesetzt, in denen hohe Festigkeit bei geringem Gewicht erforderlich ist.

Typische Industrien & Marktsegmente

⦁ Luftfahrt – Flugzeug- und Drohnen-Hersteller
⦁ Raumfahrt – Raketen, Satelliten, Raumfahrzeuge, Raumteleskope
⦁ Motorsport – Formel 1 und weitere Rennklassen inkl. Motorräder
⦁ Automobil – GT-Fahrzeuge, Super-Sportwägen, Premium-Fahrzeuge
⦁ Medizin – Röntgen-transparente Produkte, klinische, aber leichte Produkte
⦁ Automatisierung – Roboterarme, schnell-bewegende bzw. -drehende Bauteile
⦁ Öl & Gas – Pipelines, Behälter, Tanks
⦁ Energie – Windrotorblätter, Hochdrucktanks (u.a. Wasserstoff-Tanks)
⦁ Marine & Yacht – Segelboote, Renn-Yachten, Luxus-Yachten
⦁ Sport & Freizeit – Fahrräder, Surfbretter, Tennis- & Golfschläger, Angelruten

CFK_Platte

Brandschutz bei Composites

Polymere in Composites sind grundsätzlich brennbar. Um Brandschutz zu gewährleisten, werden Additive oder spezielle Beschichtungen eingesetzt. Die UL 94-Normen klassifizieren die Flammenresistenz dieser Materialien. Für extreme Anwendungen können Kombinationen aus Additiven und Beschichtungen sinnvoll sein.


⦁ Chemische Zusammensetzung: Polymere bestehen aus Kohlenwasserstoff-Ketten. Bei Feuer entzünden sie sich leicht und erzeugen dabei viel Wärme, Flammenbildung und Rauch.
⦁ Unterschiedliche Fasern: Synthetische Fasern wie Glas, Carbon oder Keramik sind schwer entflammbar, während natürliche Fasern stark brennbar sind.


Zwei Brandschutzstrategien:
⦁ Additive in der Polymer-Matrix, wie z. B. Aluminiumhydroxid, reduzieren die Entflammbarkeit.
⦁ Brandschutzbeschichtungen auf der Bauteiloberfläche, oft intumeszierend, schützen effektiv.


⦁ Verfügbarkeit: Es gibt zahlreiche Brandschutz-Additive und Harze, die getestet und für diverse Anwendungen geeignet sind.
⦁ Kosten: Brandschutzbeschichtungen sind tendenziell teurer, bieten aber in Kombination mit Additiven maximalen Schutz.

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