Was ist ein Verbundwerkstoff?

Ein Verbundwerkstoff besteht aus mindestens zwei Materialien, die in ihrer Kombination bessere Eigenschaften aufweisen als die einzelnen Bestandteile.

Auf unserer Website beziehen wir uns auf faserverstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe (FRP), die in der Regel Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Polymer- oder Naturfasern enthalten, die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Es können auch andere Matrixmaterialien verwendet werden, und Verbundwerkstoffe können auch Füllstoffe oder Nanomaterialien wie Graphen enthalten.

Die vielen Komponentenmaterialien und unterschiedlichen Verfahren, die verwendet werden können, machen Verbundwerkstoffe äußerst vielseitig und effizient. Sie führen in der Regel zu leichteren, stärkeren und haltbareren Lösungen als herkömmliche Werkstoffe.

Warum werden Verbundwerkstoffe verwendet?

Der Hauptgrund für die Wahl von Verbundwerkstoffen für Bauteile ist die Gewichtseinsparung bei relativer Steifigkeit und Festigkeit. Ein kohlefaserverstärkter Verbundwerkstoff kann beispielsweise fünfmal stärker sein als Stahl der Güteklasse 1020 und wiegt dabei nur ein Fünftel. Aluminium (Güteklasse 6061) kommt dem Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff vom Gewicht her sehr viel näher, ist aber immer noch etwas schwerer, kann aber einen doppelt so hohen Modul und eine bis zu siebenmal höhere Festigkeit aufweisen.

Wachstum in der Verbundwerkstoffindustrie

Die Verbundwerkstoffindustrie ist ein spannender Wirtschaftszweig, da ständig neue Materialien, Verfahren und Anwendungen entwickelt werden, wie z. B. die Verwendung von hybriden neuen und recycelten Fasern sowie eine schnellere und stärker automatisierte Fertigung. Der weltweite Markt für Verbundwerkstoffe wächst jährlich um etwa 5 %, wobei die Nachfrage nach Kohlenstofffasern jährlich um 12 % steigt.

Der britische Markt für Verbundwerkstoffprodukte, an dem rund 1500 britische Unternehmen beteiligt sind, wurde 2015 auf 2.Der Markt für Verbundwerkstoffe wurde 2015 auf 3 Milliarden Pfund geschätzt und könnte bis 2030 auf 12 Milliarden Pfund anwachsen (Referenz: The 2016 UK Composites Strategy)

Wann sollte man Verbundwerkstoffe verwenden?

Wie bei allen technischen Werkstoffen haben Verbundwerkstoffe besondere Stärken und Schwächen, die in der Spezifikationsphase berücksichtigt werden sollten. Verbundwerkstoffe sind keineswegs das richtige Material für jede Aufgabe.

Eine wichtige Triebfeder für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen war jedoch, dass die Kombination von Verstärkung und Matrix geändert werden kann, um die gewünschten endgültigen Eigenschaften eines Bauteils zu erreichen. Wenn das endgültige Bauteil beispielsweise feuerbeständig sein muss, kann in der Entwicklungsphase eine feuerhemmende Matrix verwendet werden, die diese Eigenschaft aufweist.

Gewichtsreduzierung

• Der Hauptgrund für die Wahl von Verbundwerkstoffen ist die Verbesserung der spezifischen Festigkeit/Steifigkeit (spezifische Festigkeit/Steifigkeit pro Gewichtseinheit).
• Dies trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu senken oder die Beschleunigung oder Reichweite im Verkehr zu erhöhen.
• Es ermöglicht eine einfachere, schnellere Installation oder schnellere Bewegung von Roboterarmen und reduziert Stützstrukturen oder Fundamente.
• Es verbessert die Stabilität auf der Oberseite von Schiffen und Offshore-Strukturen und den Auftrieb bei Tiefseeanwendungen.

Haltbarkeit und Wartung

• Verbundwerkstoffe rosten nicht, was besonders in maritimen und chemischen Umgebungen entscheidend ist. Der Bedarf an Wartung und Anstrich wird reduziert oder entfällt.
• Verbundstofflager für Schiffsmotoren und Brücken benötigen keine Schmierung und korrodieren nicht.
• Kombiniert man die hervorragende Ermüdungsbeständigkeit, können Verbundstoffe die Produktlebensdauer in vielen Anwendungen um ein Mehrfaches erhöhen.

Zusätzliche Funktionalität

• Verbundwerkstoffe sind thermische Isolatoren, die sich gut für den Brand- und Explosionsschutz oder für kryogene Anwendungen eignen.
• Elektrische Isolierung ist nützlich für Strukturen an Bahnstrecken und für Radartransparenz. Ein leitfähiges Netz oder eine Beschichtung kann bei Bedarf integriert werden, z.B. um Radar zu reflektieren oder Blitze abzulenken.
• Sensoren, Elektronik und Verkabelung können eingebettet werden.

Gestaltungsfreiheit

• Das Design von Verbundwerkstoffen ermöglicht eine freie architektonische Gestaltung.
• Viele Teile können zu einem einzigen zusammengefügt werden, und Versteifungen, Einsätze usw. können in die Form integriert werden.
• Verbundwerkstoffe können durch die Wahl der Bestandteile und die Einbettung zusätzlicher Funktionen auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden.