WFT 5 - Nichtmetallische & Verbund-Werkstoffe und

Question 1

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.01

^{<strong>________________________________________________________</strong>}

Nennen Sie einige allgemeine Vor- und Nachteile von Kunststoffen.

Answer 1

Als Vorteile können u. a. genannt werden:

• die geringe Dichte und damit das niedrige spezifische Gewicht,
• die hohe Korrosionsbeständigkeit,
• geringe Wärmeleitfähigkeit, was u. a. bei Rohrleitungen zu geringen Wärmeverlusten führt,
• die hohe Festigkeit als Verbund mit Fasern,
• die hohe elektrische Isolierfähigkeit,
• die glatte Oberfläche ohne Nachbehandlung,
• die leichte Formgebung und
• wirtschaftliche Verarbeitbarkeit, was den Kunststoff zum idealen Werkstofffür die Massenfertigung macht sowie
• die Möglichkeit der Einfärbung, Bedruck- und Metallisierbarkeit.

Von Nachteil sind z. B.

• die geringe Zugfestigkeit, sofern nicht faserverstärkt,
• geringe Dauerfestigkeit,
• die meist geringe Formbeständigkeit in der Wärme,
• schlechte Wärmeleitfähigkeit,
• die Anfälligkeit gegen Alterung durch Licht und Wärme,
• die Brennbarkeit der meisten Kunststoffe,
• das schwierige Ausbessern beschädigter Kunststoffteile, so dass sich eine Reparatur selten lohnt und
• die eingeschränkte Recyclingfähigkeit.

Question 2

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.02

^{<strong>________________________________________________________</strong>}

Aus welchen Elementen sind Kunststoffe aufgebaut?

Answer 2

• Kohlenstoff (C),
• Wasserstoff (H),
• Stickstoff (N),
• Sauerstoff (O),
• Chlor (Cl),
• Fluor (F)

Question 3

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.03a

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Definieren Sie die Polymerisation, die Kondensation und die Polyaddition, und geben Sie jeweils zwei Kunststoffe an, die mit diesen Syntheseverfahren hergestellt wurden.

Answer 3

Polymerisation:

Vereinigung kleiner Moleküle (Monomere) zu meist kettenförmigen großen
Molekülen (Polymere).

Beispiele für Polymerisate:

• Polyethylen (PE),
• Polystyrol (PS)

Question 4

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.03b

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Definieren Sie die Polykondensation und geben Sie jeweils zwei Kunststoffe an, die mit diesen Syntheseverfahren hergestellt wurden.

Answer 4

Polykondensation:

Vereinigung von meistens zwei verschiedener Monomere zu ketten- oder
netzförmigen Polymeren, wobei zumeist Wasser aus dem Makromolekül abgespalten wird.
Beispiele:

• Phenolharz (PF)
• Polyamid (PA),
• Polyethylenterephthalat (PET),
• Polycarbonat (PC)

Question 5

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.03c

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Definieren Sie die Polyaddition und geben Sie jeweils zwei Kunststoffe an, die mit diesen Syntheseverfahren hergestellt wurden.

Answer 5

Polyaddition:

Vereinigung von zumeist zwei verschiedenen Monomeren zu ketten- bzw.
netzförmigen Polymeren, wobei im Makromolekül Atome umgelagert werden, ohne das daraus Reaktionsprodukte zur Abspaltung kommen.

Beispiele:

• Polyurethan (PUR),
• Epoxidharze (EP) – s. Abb. 1.5 und Tabelle 1.4.

Polyaddukte

Question 6

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.04

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Erläutern Sie den Übergang der Makromolekülstruktur

der Faser a) zur Faser b).

Durch welche Verfahren lässt sich diese Veränderung erreichen?

Welche Eigenschaftsmodifizierung wird dadurch bewirkt?

Answer 6

Bei der Herstellung von Fasern orientieren sich die ungeordneten Molekülfäden durch Verstreckung, die sowohl

• warm durch Formgebung z. B. durch Spritzgießen (Warmverstreckung) oder
• kalt durch mechanische Einwirkung z. B. durch Walzen (Kaltverstreckung) erfolgen kann.

Durch diese Verstreckung erhöht sich die Zugfestigkeit, da sich die Molekülfäden in Beanspruchungsrichtung einstellen.

Question 7

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.05a₁

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Unterscheiden Sie nach der Struktur Thermoplaste.

Welche Möglichkeiten der Verarbeitung ergeben sich daraus?

Answer 7

Thermoplaste (Plastomere)

• bestehen aus Molekülfäden,
• die Aufbaureaktion ist in der Regel die Polymerisation.
• Die Molekülkette bildet sich durch das Aufspalten von Doppelbindungen.
• In der Molekülkette wirken starke (homöopolare) Bindungskräfte.
• Zwischen den Molekülfäden existieren die schwachen Restvalenzbindungen. Infolge dieser schwachen Bindungskräfte sind die Molekülfäden bei geringer Energiezufuhr (Erwärmung) gegeneinander zu verschieben. Dadurch können die Thermoplaste in der Wärme umgeformt werden.

Question 8

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.05a₂

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Zusatzwissen Thermoplaste.

Answer 8

Die Thermoplaste sind

• in der Regel amorph,
• können aber auch teilkristallin sein.

Die Bezeichnung teilkristallin ist deswegen gewählt, weil ein einzelner Molekülfaden nicht vollständig in einem kristallinen Bereich aufgeht. Meis-
tens entstehen die teilkristallinen Bereiche aus dem „Schmelzzustand“. Dabei tritt eine Faltung der Molekülketten auf (Teppichfaltenmodell).

Eine Molekülkette gehört mehreren kristallinen Bereichen an. Es entstehen viele kleine Lamellenbereiche mit gemeinsamen Kristallisationszentren. Sie sind in einer überstrukturähnlichen Art zu kugelförmigen Gebilden, den Sphäroliten, angeordnet.

Die Sphärolite können einige Millimeter groß sein bestehen aus deutlich kleineren

• kristallinen Bereichen (Kristallite mit radialer Anordnung)

Durch die teilkristallinen Bereiche werden die Dichte und die Festigkeit er-
höht.

• amorphen Bereichen

Infolge der amorphen Bereiche zwischen den härteren kristallinen Gebieten zeigen die teilkristallinen Thermoplaste ein zäh-elastisches Verhalten.

Die Zahl der in einem vorgegebenen Volumen bei der Abkühlung gebildeten Sphärolite hängt von der Abkühlgeschwindigkeit, von einem evtl. Zusatz von Keimbildnern und von evtl. vorliegenden Polymergemischen ab

Thermoplaste haben einen

• fadenförmigen oder verzweigten Aufbau der Makromoleküle.
• Sie erweichen bei ausreichender Erwärmung reversibel bis zum plastischen Fließen. Bei der Erwärmung bleiben die kristallinen Bereiche zunächst erhalten, so dass die Festigkeit nicht in dem Maße abfällt, wie das bei den rein amorphen Thermoplasten der Fall ist. Es tritt erst dann ein merklicher Abfall auf, wenn auch die kristallinen Gebiete in den amorphen Zustand umgewandelt werden. Somit haben die teilkristallinen Werkstoffe bei thermischer Beanspruchung eine bessere Formbeständigkeit.
• Durch Abkühlen werden sie wieder hart.

Durch dieses reversible Erweichen bis zum plastischen Verhalten ist eine gute Formgebung in der Wärme durch Umformen möglich.

Die amorphe Struktur kann auch durch Ausrichtung der Molekülfäden in eine oder zwei Richtungen, d. h. durch einachsige oder zweiachsige Verstreckung, geändert werden (Abb. 1.8).

• Bei einer Ausrichtung während der Formgebung, z. B. beim Spritzgießen spricht man von Warmverstreckung.
• Bei einer Ausrichtung durch mechanische Beanspruchung, z. B. bei einer Ausrichtung wie im Zugversuch, liegt eine Kaltverstreckung vor.

Durch die Verstreckung tritt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm vor dem Bruch
ein Anstieg der Spannung auf, da sich die Molekülfäden in Zugrichtung einstellen und damit die Zugfestigkeit in dieser Richtung nach der Verstreckung erhöht wird.

Durch Einlagerung von Fasern oder Partikeln oder durch Füllstoffzusätze wie Holzmehl und Textilabfälle wird die Festigkeit erhöht.

Ein Zusatz von Weichmachern kann das Verhalten von amorphen Thermoplasten in einem weiten Umfang verändern.

Weichmacher sind niedermolekulare Substanzen, die zwischen den Molekülfäden angeordnet sind und die Restvalenzbindung
zwischen den Molekülfäden herabsetzen.

Polyvinylchlorid kann durch derartige Weichmacher von den Zuständen hart bis weich variiert werden. Die Weichmacher können im Laufe der Zeit aus dem Molekülverband auswandern, so dass Versprödung, d. h. Alterung eintritt.

Temperaturverhalten:

Thermoplaste (typischer Vertreter Polyvinylchlorid, PVC) weisen bei

• tiefen Temperaturen einen Glaszustand auf, der hart und spröde ist.
• Bei üblichen Gebrauchstemperaturen sind bei Thermoplasten die Restvalenzbindungen gelockert, so dass eine hohe elastische Dehnung (Viskoelastizität) möglich ist.
• Bei weiterer Temperaturerhöhung werden die Restvalenzbindungen weiter verringert. Es tritt ein viskoplastischer zähflüssiger Zustand auf, in dem die Formgebung möglich ist. Thermoplaste können durch eine Wiedererwärmung erneut umgeformt werden und eignen sich deshalb für die Wiederverwendung im Rahmen des Recyclings.
• Bei weiterer Temperaturerhöhung kommt es schließlich zu einer Zersetzung, da dann die starke Atombindung in den Molekülfäden aufgehoben wird.

Question 9

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.05b

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Unterscheiden Sie nach der Struktur Duroplaste.

Welche Möglichkeiten der Verarbeitung ergeben sich daraus?

Answer 9

Duroplaste

• bestehen aus engmaschig vernetzten Molekülen,
• die Aufbaureaktionen sind meistens die Polykondensation oder Polyaddition.
• In der Vernetzung wirken die starken Bindungskräfte, so dass die Duroplaste gegenüber den Thermoplasten eine höhere Festigkeit haben,
• jedoch nur durch Urformen, d. h. durch das Einbringen der Ausgangs- oder Zwischenprodukte in eine Form gebracht werden können.

______________________________________________________________

Zusatzinformationen zu Duroplaste:

• sind starr, d. h. formfest und
• wegen der allein vorliegenden Atombindung in der Vernetzung auch bei höheren Temperaturen plastisch nicht verformbar; sie härten irreversibel aus.
• Die Formgebung der Duroplaste erfolgt durch Urformen (z. B. Gießen, Formpressen), indem fließfähige Vorprodukte unter Bildung räumlich eng vernetzter Makromoleküle chemisch miteinander reagieren.
• Auf mechanische Einwirkung reagieren sie nach der Aushärtung mit Rissen oder Sprüngen.
• Mit höherem Vernetzungsgrad steigt die Festigkeit, ebenso durch Einlagern von Fasern und Partikeln.
• Zu den Duroplasten zählen die Amino- und Phenoplaste.

Temperaturverhalten:

• Duroplaste (typischer Vertreter Phenolharz, PF) liegen im harten Glaszustand
  bis zu höheren Temperaturen vor, da bei ihnen nur die homöopolare Bindung in der Vernetzung vorhanden ist.
• Beim Überschreiten der Zersetzungstemperatur kommt es zur Zerstörung dieser Bindung und damit des Kunststoffs.
• Er ist durch Erwärmung nicht formbar.
• Deshalb bereiten Duroplaste beim Recycling Probleme. Sie können nur durch Zerkleinern anderen Stoffen wie Beton zugemischt werden.

Question 10

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.05c

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Unterscheiden Sie nach der Struktur Elastomere.

Welche Möglichkeiten der Verarbeitung ergeben sich daraus?

Answer 10

Elastomere

• sind weitmaschig vernetzt, sodass große elastische Formänderungen möglich sind möglich.
• Bei der chemischen Vernetzung wirken die starken Bindungskräfte, so dass auch diese nur urformbar sind.
• Thermoelastische Elastomere hingegen haben eine physikalische Vernetzung, d. h., es bilden sich teilkristalline Bereiche als Vernetzungsstellen, die in der Wärme aufgelöst werden, so dass sie wie Thermoplaste formbar sind.

_____________________________________________________________

Elastomere

• sind formfest. Die Bindungen sind, ebenso wie bei den Duromeren, Atombindungen.
• Die Makromoleküle sind schwach, d. h. weitmaschig vernetzt. Dadurch sind sie mit geringem Kraftaufwand elastisch stark verformbar und weichgummiartig.
• Der weichgummiartige Zustand geht schlagartig bei der Zersetzungstemperatur verloren.
• Ihre Formgebung kann folglich nur durch Urformen (z. B. Spritzgießen, Extru-dieren) erfolgen.

Thermoplastische Elastomere (TPE) sind reversibel vernetzte Polymere. Das bedeutet, sie sind physikalisch durch teilkristalline Bereiche vernetzt. Dadurch können sie bei höheren Temperaturen durch Auflösung dieser Bereiche wie Thermoplaste verarbeitet werden. Durch diese Netzwerkinstabilitäten sind diese aber bei höheren Temperaturen nicht einsetzbar.

Von der Struktur her sind sie Copolymere, die aus harten, d. h. den Vernetzungsbereichen, und weichen Bereichen bestehen, bzw. es sind Polyblends mit Anteilen von Thermoplasten und Elasten.

Die Zustandsänderung von Hochpolymeren in Abhängigkeit von der Temperatur
zeigt Abb. 1.9. Je nach Kunststoffart zeigen sich dabei charakteristische Unter-
schiede.

Temperaturverhalten:

Die Zustandsänderung von Elastomeren ist in der Abbildung 1.9 am Beispiel
von Gummi demonstriert, der

• bei relativ niedrigen Temperaturen im harten und spröden Glaszustand vorliegt,
• bei Erwärmung jedoch in den gummielastischen Zustand übergeht, der bis zur Zersetzungstemperatur erhalten bleibt. Damit sind auch die üblichen Elaste nicht durch Wärme umformbar und bereiten ebenfalls beim Recycling Probleme.

Question 11

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.06a

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Charakterisieren Sie den Kunststoff Polyvinylchlorid mit seinen Eigenschaften, und nennen Sie Einsatzgebiete.

Answer 11

Polyvinylchlorid (PVC):

• PVC ist ein Thermoplast.
• Dieser Kunststoff liegt in der Regel amorph vor.
• Infolge der relativ hohen Glastemperatur bis 80 °C ist er bis zu dieser Temperatur hart.
• PVC lässt sich durch Copolymerisation in den Eigenschaften modifizieren.

Ebenso ist die Änderung der Eigenschaft durch Zusatz von Weichmachern möglich, so dass je nach prozentualem Anteil die Eigenschaften von weichgummiartig bis hart variiert werden können.

Typische Anwendungsfälle PVC weich

• wird für Folien in der Verpackungsindustrie sowie
• in der Medizintechnik eingesetzt.
• Als Schaumstoff dient es zur Schall- und Wärmedämmung.

Typische Anwendungsfälle PVC fest:

• Rohrleitungen,
• Behälter,
• Schallplatten und
• Getränkeflaschen.

Question 12

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.06b

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Charakterisieren Sie den Kunststoff Phenolharz mit seinen Eigenschaften, und nennen Sie Einsatzgebiete.

Answer 12

Phenolharz (PF):

• PF ist ein Duroplast.
• Durch Füllstoffzusätze können je nach prozentualem Anteil die Eigenschaften variiert werden.
• Aus Phenolharz werden hochbeanspruchte Formteile für die Bürotechnik sowie den Apparate- und Maschinenbau hergestellt.

Das bekannteste und ursprüngliche Einsatzgebiet ist die Verwendung als Isolierstoff in der Elektrotechnik.

Durch Tränken von Papier bzw. Gewebe in Phenolharz werden Hartpapier bzw. Hartgewebe hergestellt. Hartgewebe findet Einsatz für Maschinenelemente wie Gleitlager und Kupplungen.

Hartpapier wird in der Elektroindustrie angewendet.

Question 13

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.06c

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Charakterisieren Sie den Kunststoff Kautschuk mit seinen Eigenschaften, und nennen Sie Einsatzgebiete.

Answer 13

Kautschuk:

• Kautschuk ist ein Elast.
• Die Formgebung erfolgt typischerweise durch Urformen.
• Die Vernetzung durch Schwefelbrücken wird Vulkanisation genannt. Je nach Schwefelzusatz lassen sich die Eigenschaften von Weich- bis Hartgummi variieren. Hartgummi besitzt eine gute elektrische Isolierfähigkeit und gute chemische Beständigkeit. Er findet deshalb in der chemischen Industrie zum Korrosionsschutz Anwendung, z. B. zum Auskleiden von Behältern.

Question 14

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.07

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Sie haben die Entscheidung zu fällen, welche Kunststoffe Ihr Unternehmen zur Herstellung von Rohren in der Trinkwasserversorgung einsetzen kann.

Für welchen Kunststoffe würden Sie sich entscheiden und warum?

Answer 14

Vornehmlich bietet sich Polyethylen (PE) an, da es physiologisch unbedenklich und geschmacksneutral ist.

• Die Modifikation PE-HD zeichnet sich zudem durch eine
  
  • hohe Dichte,
  • Steifigkeit,
  • Wärmebeständigkeit und
  • Korrosionsbeständigkeit aus

und wird daher bevorzugt für erdverlegte Trinkwasserrohre eingesetzt.

• PE-X eignet sich besonders für Warmwasserrohre.
• Alternativ können Rohre aus Polypropylen (PP) zum Einsatz kommen, da dieser Kunststoff ebenfalls hautverträglich und physiologisch unbedenklich und auf Grund seiner mechanischen Eigenschaften (Härte, Festigkeit etc.) ebenfalls für die Rohrherstellung geeignet ist.
• Auch PVC-hart wäre eine Variante, wenn es sich um Druckwasserrohre für erdverlegte Kaltwasserleitungen handelt.

Question 15

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.08

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Polyvinylchlorid weich enthält einen hohen Anteil an Weichmachern, weshalb dieser Kunststoff seit 1999 nicht mehr zur Herstellung von Spielzeugen für Kleinkinder verwendet werden soll.

Erläutern Sie diese Maßnahme und geben Sie alternative Kunststoffe für die Spielzeugindustrie an.

Answer 15

Weichmacher stellen diese Kunststoffe unter den Verdacht der Krebserregung sowie der Nieren- und Leberschädigung sowie der Erbgutveränderung, wenn die Spielzeuge in den Mund genommen oder gar verschluckt werden und die Weichmacher dadurch im Kontakt mit (fetthaltigem) Speichel aus dem Kunststoff auswandern.

Alternative Kunststoffe sind die physiologisch unbedenklichen

• PP-,
• PE- oder
• PS-Erzeugnisse.

Question 16

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.09

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Welche Möglichkeiten zur Modifizierung der mechanischen Eigenschaften gibt es bei den Thermoplasten?

Answer 16

• Thermoplaste können durch die Ausbildung teilkristalliner Bereiche modifiziert werden.
  
  • Je größer der teilkristalline Anteil ist, umso höher ist die Festigkeit.
• Weitere Möglichkeiten der Eigenschaftsmodifizierung bestehen in der Copolymerisation, d. h., in den Molekülfaden werden neben den Monomeren A auch Monomere B eingebaut.
• Eine weitere Legierungsmöglichkeit ist die Herstellung von Polyblends, indem ein Molekülfaden aus den Monomeren A neben einem Molekülfaden aus den Monomeren B besteht. Ein Beispiel für ein Blockcopolymerisat ist Acryl-Butadien-Styrol (ABS).
• Weiterhin ist eine Festigkeitssteigerung durch Verstreckung möglich, d. h., die Molekülfäden werden im kalten oder im warmen Zustand (beim Spritzgießen) in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet und haben in dieser Richtung eine höhere Festigkeit.
• Auch eine Modifizierung der Eigenschaften durch Faser bzw. Partikelzusätze ist möglich.
• Schließlich kann bei Thermoplasten noch durch einen Weichmacherzusatz der Abstand zwischen den Molekülfäden so verändert werden, dass sie leichter gegeneinander beweglich sind und somit die Thermoplaste weicher werden.

Question 17

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.10

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Welche Möglichkeit gibt es, aus Polyamid einen Hochleistungskunststoff herzustellen?

Wo wird dieser Hochleistungskunststoff u. a. eingesetzt?

Answer 17

Einbau von Benzolringen in die Monomere des PA, wodurch die Festigkeit so erhöht wird, dass diese mit Stahl oder Glasfasern vergleichbar sind.

Die Temperaturbeständigkeit liegt im weiten Bereich von – 200 bis + 160 °C.

Zur Anwendung gelangt der Hochleistungswerkstoff u. a. als Faserverbundwerkstoff in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilsport und für den
Personenschutz (schusssichere Sicherheitswesten, Schutzhelme).

Question 18

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.11

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Welcher Kunststoff verbirgt sich hinter dem Handelsnamen „Plexiglas“?

Welche Vor- und Nachteile hat dieser Werkstoff?

Answer 18

Mit Plexiglas ist Polymethylmethacrylat (PMMA) gemeint.

Vorzüge:

• Hohe optische Transparenz,
• gute Witterungsbeständigkeit,
• physiologisch unbedenklich,
• keine scharfkantigen Bruchflächen und somit Minderung der Verletzungsgefahr.

Nachteile:

• Wird von Alkohol und Benzol sowie von Lösungsmitteln angegriffen,
• nur kratzfest bei entsprechender Oberflächenbehandlung;
• schlag- und spannungsrissempfindlich wegen seiner geringen Zähigkeit.

Question 19

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.12

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Polyoxymethylen ist ein bevorzugter Konstruktionswerkstoff, der zu einem hohen Anteil in der Autoindustrie eingesetzt wird.

Erläutern Sie, warum dieser Kunststoff vor allem in diesem Bereich mit zur Anwendung gelangt.

Answer 19

Polyoxyethylen (POM) zeichnet sich durch

• hohe Festigkeit,
• Steifigkeit,
• hohe Oberflächenhärte,
• gutes Gleitverhalten sowie
• hohe Maßbeständigkeit aus und
• ist gegen chemische Einwirkungen weitgehend widerstandsfähig

– kurzum Eigenschaften, die der Automobilbranche insbesondere hinsichtlich der Gewährleistung der Sicherheitsanforderungen und der Korrosionsbeständigkeit ihrer Fahrzeuge entgegenkommen.

Question 20

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.13a

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden:

• Hartschaum
• Weichschaum
• halbharten Schaumstoffen
• *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen
  zu: **
• a) Kältetechnik

Answer 20

Hartschaumstoff

Question 21

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.13b

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden:

• Hartschaum
• Weichschaum
• halbharten Schaumstoffen
• *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen
  zu: **
• b) Stoßfänger an Fahrzeugen;

Answer 21

Halbharte Schaumstoffe

Question 22

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.13c

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden:

• Hartschaum
• Weichschaum
• halbharten Schaumstoffen
• *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen
  zu: **
• Formpolster in der Automobil- und Möbelindustrie;

Answer 22

Weichschaumstoff

Question 23

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.13d

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden:

• Hartschaum
• Weichschaum
• halbharten Schaumstoffen
• *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen
  zu: **
• Dämmung (Wärmedämmung);

Answer 23

Hartschaumstoff

Question 24

5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe

Kontrollfrage 1.13e

^{<strong>_______________________________________________________________</strong>}

Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden:

• Hartschaum
• Weichschaum
• halbharten Schaumstoffen
• *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen
  zu: **
• Möbelbau;

Answer 24

Weichschaumstoff

Question 25

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.13f** ^{_______________________________________________________________} Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden: * Hartschaum * Weichschaum * halbharten Schaumstoffen * *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen zu: ** * Polsterung von Instrumententafeln

Answer 25

Halbharte Schaumstoffe

Question 26

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.13g** ^{_______________________________________________________________} Über die Hälfte des produzierten Polyurethans wird als Schaumstoff eingesetzt. Dabei wird je nach molekularem Aufbau zwischen folgenden Schaumstoffen unterschieden: * Hartschaum * Weichschaum * halbharten Schaumstoffen * *Ordnen Sie den genannten Schaumstoffen die folgenden Anwendungen zu: ** * Innenraumverkleidungen.

Answer 26

Halbharte Schaumstoffe

Question 27

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.14** ^{_______________________________________________________________} Wie verhalten sich Polymere gegenüber Wasser? Welche Eigenschaftsänderungen zieht eine Wasseraufnahme nach sich?

Answer 27

**_Die Wasseraufnahme hängt stark vom chemischen Aufbau des Kunststoffes ab._** * PA (vor allem PA 6) kann viel Feuchtigkeit aufnehmen, * PE, PP, POM, PET, PS und PTFE können weniger Feuchtigkeit aufnehmen **_Durch Wasseraufnahme wird_** * die Härte vermindert, * die Zähigkeit erhöht, * die elektrische Isolation verschlechtert und * es tritt Quellung und somit Maßänderung ein.

Question 28

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.15** ^{_______________________________________________________________} Nennen Sie die im Studienbrief angegebenen Schichtpressstoffe aus Phenoplaste und deren Anwendungen.

Answer 28

* _**Hartpapier**:_ * Elektrotechnik und * Elektronik als isolierendes Trägermaterial für Bauteile und Schaltungen (kupferbeschichtete Leiterplatten) * **_Hartgewebe_**: * Für Maschinenelemente (z. B. Gleitlager und Kupplungen) * **_Kunstharzpressholz_**: * Holzplatten für die Möbelindustrie; * Bindemittel für Schleifscheiben.

Question 29

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.16** ^{_______________________________________________________________} Sie stehen bei der Herstellung von Karosserieteilen vor der Wahl, * Polyester- oder * Epoxidharz zu verwenden. Für welchen würden Sie sich unter dem Kostenaspekt entscheiden? Welchen Nachteil müssten Sie dann ggf. in Kauf nehmen?

Answer 29

In einem direkten Vergleich zwischen Polyesterharz- und Epoxidharzsystemen gehen letztere wegen ihrer zumeist überlegenen Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften als klarer Sieger hervor, unterliegen aber unter dem alleinigen Preisaspekt für den Werkstoff den Polyesterharzen.

Question 30

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.17** ^{_______________________________________________________________} Charakterisieren Sie Gummi als Werkstoff. Wie wird er hergestellt?

Answer 30

Der Werkstoff Gummi ist vulkanisierter Kautschuk, wobei es sich sowohl um Natur- als auch um Synthesekautschuk handeln kann. Gummi entsteht, indem Kautschuk Schwefel zugesetzt wird, d. h. durch eine Vernetzung mit Schwefelbrücken (s. Abb. 1.6). Gummi ist ein * sehr elastisches Material, * jedoch nicht unbegrenzt lagerfähig. * Er wird mit der Zeit spröde und kann reißen. Daher stellen z. B. alte Gummireifen eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar, da sie während der Fahrt platzen können. Die Alterung des Gummis beruht auf Oxidationsprozessen, die eine fortschreitende Vernetzung der Molekülstränge mit der besagten Versprödung und bei Wärmeeinwirkung einen Kettenabbau möglich machen.

Question 31

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.18a** ^{_______________________________________________________________} Unterscheiden Sie * Werkstoffrecycling, Wann sind die Recyclingarten in Betracht zu ziehen?

Answer 31

Die anspruchsvollste Form des Recyclings ist das Werkstoffrecycling, d. h., aus einem bestimmten Werkstoff wird wieder der gleiche Werkstoff bzw. wieder das gleiche Produkt (Produktrecycling) hergestellt. Da es durch die thermoplastische Verarbeitung bereits zu Veränderungen der Hochpolymere kommt, können in der Regel nur bis zu 30 % des zu recycelnden Werkstoffs beigefügt werden. Das Werkstoffrecycling setzt einen hohen Aufwand bei der Sortentrennung voraus. Es ist vor allem bei Massenprodukten wie Kraftfahrzeugen, wo be- stimmte Bauteile gekennzeichnet werden, organisatorisch leichter möglich. Deshalb ist die Rückgewinnung von Produktionsabfällen beim Stoffrecycling im primären Kreislauf am einfachsten zu realisieren. Das Werkstoffrecycling ist eine Sonderform des Stoffrecyclings.

Question 32

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.18b** ^{_______________________________________________________________} Unterscheiden Sie * chemisches Recycling Wann sind die Recyclingarten in Betracht zu ziehen?

Answer 32

Beim chemischen Recycling wird der Kunststoff zersetzt und in Vor- bzw. Ausgangsprodukte überführt, die wieder zur Kunststoffherstellung genutzt werden. Der Aufwand ist relativ hoch.

Question 33

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 1.18c** ^{_______________________________________________________________} Unterscheiden Sie * energetisches Recycling, Wann sind die Recyclingarten in Betracht zu ziehen?

Answer 33

Das energetische Recycling nutzt die in den Kunststoffen gespeicherte Energie beim Verbrennen. * Vor allem bei der Müllverbrennung bewirkt die Verbrennung der Kunststoffanteile eine eigenständige Verbrennung ohne äußere Energiezufuhr. * Bei der Verbrennung von Kunststoffen ist zu berücksichtigen, dass sie eine Reihe von Zusätzen enthalten. * Chloratome wie bei PVC bergen die Gefahr, dass giftige Produkte wie Dioxine entstehen, deshalb sind gesteuerte Verbrennungsprozesse notwendig. * Für eine Reihe von alten Kunststoffen, die nach etwa acht bis zehn Jahren zurückkommen, ist die Verbrennung eine Alternative, wenn man die Ablagerung auf einer Deponie aus ökologischen Gründen vermeiden will.

Question 34

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 2.01** ^{_______________________________________________________________} Unterscheiden Sie biologisch abbaubare Werkstoffe und Werkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe.

Answer 34

Biologisch abbaubare Werkstoffe werden durch Mikroorganismen zersetzt und schließen den Stoffkreislauf über das Kompostieren. Das trifft generell für die nachwachsenden Rohstoffe als natürliche Polymere zu. Werden diese wegen der Eigenschaftsänderung modifiziert, so sind sie als Kunststoffe u. U. nicht mehr kompostierbar.

Question 35

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 2.02** ^{_______________________________________________________________} Was sind die Vor- und Nachteile der Werkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe, und was folgt daraus für deren Einsatz?

Answer 35

Nachwachsende Rohstoffe sind CO2-neutral und damit umweltschonend. Ihre Produktion ist eine Perspektive für die heimische Landwirtschaft. In den Eigenschaften wie Festigkeit und Feuchtbeständigkeit sind sie aber von den Anforderungen an diese Werkstoffe her oft noch nicht ausreichend. Sie finden vor allem für Verpackungen Anwendung, auf Stärkebasis für Lebensmittelverpackungen. Als Faserwerkstoffe haben sie aber bei den Verbundwerkstoffen schon einen größeren Anwendungsbereich (z. B. im Automobilbau) gefunden.

Question 36

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.01** ^{_______________________________________________________________} Worin besteht der wesentlichste Unterschied zwischen keramischen Werkstoffe und Metallen?

Answer 36

Die elektrische Leitfähigkeit ist das wesentliche Merkmal zur Abgrenzung der keramischen Werkstoffe von den Metallen.

Question 37

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.02** ^{_______________________________________________________________} Was versteht man unter Keramik? Unterscheiden Sie davon die Gläser.

Answer 37

Unter Keramik versteht man im weitesten Sinne alle Werkstoffe, die nach einer keramischen Technologie, d. h. durch Sintern, hergestellt sind. Im engeren Sinne werden damit nichtmetallische anorganische Stoffe verstanden, die zu einem Teil (etwa mindestens 30 %) oder ganz aus einer kristallinen Phase bestehen. Bei den silikatischen Werkstoffen sind die Kristallbausteine SiO₄-Tetraeder. Die silikatischen Gläser bestehen ebenfalls aus SiO4-Tetraedern, die jedoch unregelmäßig angeordnet sind, so dass sich eine amorphe Netzstruktur ergibt. Dazwischen steht die Glaskeramik als kristalline bzw. teilkristalline Gläser.

Question 38

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.03** ^{_______________________________________________________________} Was unterscheidet die traditionelle Keramik von der technischen Keramik bzgl. der Herstellung, und was folgt daraus?

Answer 38

Die Werkstoffe der Technischen Keramik werden synthetisch hergestellt, d. h., ihre chemische Zusammensetzung lässt sich im Vergleich zu den natürlichen silikatischen Werkstoffen in sehr engen Grenzen realisieren. Für den Einsatz als Konstruktionswerkstoff ist diese genaue Vorgabe der Zusammensetzung notwendig, um bestimmte mechanische oder andere Eigen- schaften einstellen zu können. Zwar ist die Streuung der mechanischen Kennwerte auch bei der Technischen Keramik infolge der hohen Empfindlichkeit auf kleinste Fehlstellen relativ hoch, sie ist jedoch im Vergleich zu den silikatischen Keramikwerkstoffen geringer.

Question 39

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.04** ^{_______________________________________________________________} Geben Sie die Basissysteme der Technischen Keramik an und nennen Sie grundlegende mechanische Eigenschaften.

Answer 39

Die Basissysteme der Technischen Keramik sind die beiden Oxide Al₂O₃ und ZrO₂ sowie die beiden Nichtoxide Si₃N₄ und SiC. Infolge der hohen Bindungskräfte (bei den Oxiden überwiegen die heteropolaren Bindungskräfte, bei den Karbiden und Nitriden die homöopolaren Bindungskräfte) haben diese Werkstoffe * einen hohen Schmelzpunkt, * eine hohe Härte, * eine hohe Festigkeit, * eine hohen Elastizitätsmodul und * einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Daraus resultiert eine hohe Maßbeständigkeit und eine hohe Thermoschockbeständigkeit. Außerdem ist die Dichte im Vergleich zum Stahl gering. Der Elastizitätsmodul ist bis zum Faktor 2 höher als bei Stahl, so dass starre Bauelemente aus diesen Werkstoffen hergestellt werden können. Nachteilig ist die fehlende Makroplastizität, d. h., die Werkstoffe können keine Spannungsspitzen an Fehlstellen wie Rissen abbauen. Da der Spannungskonzentrationsfaktor an der Rissspitze sehr hoch wird und somit die Trennbruchfestigkeit des Gitters überschreitet, kommt es zum Weiterreißen des Gitters und damit zum Sprödbruch. Hieraus resultiert eine im Vergleich zum Gusseisen niedrige Bruchzähigkeit. Die Werkstoffe sind wegen der hohen Kerbempfindlichkeit besser auf Druck als auf Zug (Faktor 10) beanspruchbar. Weiterhin ist zu beachten, dass infolge der Fehlerempfindlichkeit eine relativ starke Streuung der mechanischen Kennwerte auftritt, so dass nach Wahrscheinlichkeitskriterien konstruiert werden muss. Da mit höherem Volumen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern größer wird, liegt bei diesen Werkstoffen eine ausgeprägte Volumenabhängigkeit der Werkstoffkennwerte vor, die umso höher ist, je höher die Streuung der Werkstoffkennwerte für eine Charge ist.

Question 40

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.05** ^{_______________________________________________________________} Unterscheiden sie zwischen Netzwerkbilder, Netzwerkwandler und Stabilisatoren.

Answer 40

* **Netzwerkbildner:** Bilden die unregelmäßige Grundstruktur (das Netzwerk) des Glases. * **Netzwerkwandler:** Verändern das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst durch Sprengen des SiO₄-Tetraeders. Die Folge ist eine Erniedrigung des Erweichungsbereiches des Glases. * **Stabilisatoren:** Festigen als Zusätze das Netzwerk des Glases, d. h., sie erhöhen die Bindungskräfte und damit den Erweichungsbereich des Glases.

Question 41

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.06** ^{_______________________________________________________________} Welche Modifizierungen der Struktur gibt es beim Glas und welche Eigenschaftsänderungen resultieren daraus?

Answer 41

Die SiO₄-Tetraeder bilden bei Glas eine amorphe Netzstruktur. Durch Zusatz von Oxiden wie Na₂O wird die Netzstruktur so gewandelt (Netzwerkwandler), dass die Bindungskräfte innerhalb des Netzes geringer werden und somit ein niedriger Schmelzpunkt erreicht wird. Auf diese Weise kann der hohe Schmelzpunkt des Quarzglases durch den Oxidzusatz bis auf das Erweichungsintervall des Fensterglases reduziert werden, so dass eine wirtschaftlichere Herstellung möglich ist.

Question 42

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.07** ^{_______________________________________________________________} Warum werden in bestimmten Anwendungsfällen Stahlstäbe oder -drähte in Beton eingebracht?

Answer 42

Beton kann zwar hohen Druck aushalten, versagt aber schon bei niedrigen Zugbeanspruchungen. In Beton werden daher häufig ungespannte oder vorgespannte Stahlstäbe eingebracht. In diesem Verbundbaustoff übernimmt der Beton vor allem die Druckkräfte und der eingebettete Stahl vor allem die Zugkräfte.

Question 43

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.08** ^{_______________________________________________________________} Ordnen Sie nach steigender Härte die Werkstoffe * Kubisches Bornitrid, * Diamant, * Borkarbid und * Hartmetall.

Answer 43

1. Hartmetall; 2. Kubisches Bornitrid; 3. Borkarbid; 4. Diamant.

Question 44

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.09** ^{_______________________________________________________________} Im Labor, in der chemischen Verfahrenstechnik und Medizintechnik und auch im Haushalt trifft man Borsilikat-Gläser an. Was zeichnet diese Gläser für die genannten Anwendungsfelder aus?

Answer 44

Borsilikat-Gläser sind sehr chemikalien- und temperaturbeständige Gläser. Die Temperaturbeständigkeit und Unempfindlichkeit gegen plötzliche Temperaturschwankungen beruhen auf dem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Borsilikat. Daher werden z. B. die Sichtscheiben in Elektroherden mit diesem Glas ausgerüstet. Wer Jenaer Glas verwendet weiß, dass es spülmaschinenfest, mikrowellengeeignet und hitzebeständig ist.

Question 45

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.10** ^{_______________________________________________________________} Glaswerkstoffe sind ausgesprochen spröde. Erklären Sie Ursache dieser Eigenschaft.

Answer 45

Glas hat ein lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten ohne plastischen Bereich. Es kann daher Spannungsspitzen nicht durch Plastizieren abbauen bzw. umlagern. Wenn Spannungen durch innere Fehlstellen am Kerbgrund die Zugfestigkeit des Materials erreichen, ergibt sich bei den spröden Gläsern eine Spannungskonzentration bis zum 900-fachen der Nennspannung und damit ein Versagen des Bauteils. Kerben reduzieren daher bei Glas die Zugbeanspruchung erheblich. Das Versagen erfolgt ohne Vorankündigung.

Question 46

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.11** ^{_______________________________________________________________} Um was für einen Werksstoff handelt es sich bei Emails? Wie wird dieser Werkstoff auf den Trägerwerkstoff aufgebracht und worauf ist dabei zu achten?

Answer 46

Emails sind Gläser vom Typ aluminiumhaltiger Borsilikat-Gläser. Nach einer intensiven Oberflächenreinigung des Trägerwerkstoffes wird eine Grundemail und anschließend eine Deckemail, jeweils durch Einbrennen, aufgebracht. Die Email geht eine feste Verbindung mit dem Grundwerkstoff ein. Voraussetzung ist eine gründliche Oberflächenreinigung des Grundwerkstoffes und dessen Fähigkeit, Gase zu lösen. Andernfalls kommt es zu einer sog. Fischschuppenbildung, die die Qualität des Erzeugnisses mehr oder minder stark beeinträchtigt.

Question 47

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 3.12** ^{_______________________________________________________________} In welchen Kristallmodifikationen tritt gewöhnlich Kohlenstoff auf? Welche Eigenschaften besitzen sie und wo werden sie eingesetzt?

Answer 47

Bei den zwei Modifikationen des C handelt es sich um Diamant und Graphit. * **Diamant** weist eine **extrem hohe Härte** infolge der großen Atombindungskraft im Kristallgitter auf. Er findet deshalb **Anwendung** für Trenn-, Schleif- und andere Spanwerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstoffen mit hoher Härte bzw. Festigkeit. * **Graphit** wird wegen * der Temperaturbeständigkeit, * der guten Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit für Elektroden und Stromkontakte bei Elektromaschinen eingesetzt. * Graphit hat ein Schichtgitter mit untereinander nur schwach gebundenen Schichten. Deshalb sind diese leicht gegeneinander verschiebbar, so dass sich Graphit gut als Gleitlagerwerkstoff und Schmierstoff eignet. * Graphit weist wegen der unterschiedlichen Bindungskräfte in den Schichten und der Schichten untereinander eine hohe Anisotropie der Eigenschaften wie Festigkeit und Elastizitätsmodul auf, die vor allem beim Einsatz von Kohlenstofffasern genutzt wird. Sie werden in Matrixwerkstoffe aus Kunststoffen (GFK) oder Kohlenstoff (CFC) oder − bei hoher Temperaturbeanspruchung − aus Keramikwerkstoff eingebettet. * Die Festigkeit der Fasern bleibt bei den CFC auch bei hoher Temperatur erhalten. Die thermisch höher belastbaren CFC werden für hoch beanspruchte Teile der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbau (Rennsport) eingesetzt. * Der Einsatz erfolgt für GFK wegen der mit Stahl vergleichbaren hohen Steifigkeit bei jedoch niedrigerer Dichte für Teile im Flugzeugbau und in der Raunfahrt.

Question 48

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 4.01** ^{_______________________________________________________________} In welchen Kristallmodifikationen tritt gewöhnlich Kohlenstoff auf? Welche Eigenschaften besitzen sie und wo werden sie eingesetzt?

Answer 48

Das Entwicklungspotenzial der Verbundwerkstoffe ist deswegen so außerordentlich hoch, da sich durch Kombination der verschiedenen Werkstoffgruppen sowie noch durch Variation der z. B. eingelagerten Komponenten in der Matrix die Eigenschaften in weiten Grenzen variieren lassen. Man kann man die **Verbundwerkstoffe** als „Werkstoffe nach Maß“ bezeichnen. Durch die verschiedenen Kombinationen sind Eigenschaften zu erreichen, die durch konventionelle Legierungsbildung aus werkstoffphysikalischen Gründen nicht möglich sind. Die Arten der Verbundwerkstoffe sind * **Faserverbundwerkstoffe**: Einlagerung von langen oder kurzen Kunststofffaser, zumeist Glaserfasern. * **Schichtverbundwerkstoffe**: Beschichtung durch feste, flüssige oder gasförmige Stoffe. * **Partikelverbundwerkstoffe**: Einlagerung von festen Teilchen wie Plättchen. **Es können auch mehrere Typen von Verbundwerkstoffen untereinander kombiniert werden**

Question 49

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 4.02** ^{_______________________________________________________________} Beschreiben Sie den Verstärkungseffekt von Faserwerkstoffen und wie breiten sich Risse in diesen aus?

Answer 49

Der Verstärkungseffekt der Faserwerkstoffe kommt bei unidirektional verstärkten Fasern dadurch zum Tragen, dass mit einer gleichen Dehnung von Faser- und Matrixwerkstoff mit einem höheren Elastizitätsmodul des Faserwerkstoffs eine höhere Spannung als in der Matrix aufgenommen werden kann. Dadurch können Spannungen erreicht werden, die in die Nähe der Zugfestigkeit von Stahl kommen, obwohl die Festigkeit der Matrix (z. B. Kunststoff) relativ niedrig ist. In erster Näherung kann die Festigkeit nach der Mischungsregel, d. h. nach dem prozentualen Anteil von Matrix und Faserwerkstoff, abgeschätzt werden. * Bei einer **Kurzfaserverstärkung** ist der Verstärkungseffekt geringer, da an den Faserenden keine Normalspannungen, sondern nur Schubspannungen übertragen werden können. Eine große Rolle für den Rissfortschritt spielt die Haftung zwischen Faser und Matrix. Bei einer angepassten Haftung, d. h. bei einem nicht zu starren Übergang von Faser zu Matrix werden Risse an den Fasern umgeleitet, so dass der Faserverbundwerkstoff ein quasi-plastisches Verhalten bekommt, das Spannungs-Dehnungs-Diagramm erhält einen pseudo-plastischen Bereich, die Fasern wirken als Rissstopper bzw. Rissumlenker.

Question 50

**5 - Nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe** **Kontrollfrage 4.03** ^{_______________________________________________________________} Geben Sie einige faserverstärkte Werkstoffe und ihre Einsatzgebiete an.

Answer 50

Bei den **faserverstärkten Werkstoffen** sind die glasfaserverstärkten Kunststoffe und die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe am bekanntesten. Durch **Einlagerung von verstreckten Kunststofffasern wie Aramidfasern** entstehen kunststofffaserverstärkte Kunststoffe. Bei den **glasfaserverstärkten Kunststoffen** sind es vor allem die UP- und EP-Harze, wobei die Haftung bei den EP-Harzen besonders hoch ist. Glasfasern sind kostengünstig. * Glasfaserverbundwerkstoffe werden für hochbeanspruchte Teile in * Rohren, * Behältern und * großflächigen Karosserieteilen eingesetzt. * Im Fahrzeug finden sie weiterhin Anwendung für Kolbenbolzen, Federlenker und Motorträger. * Bei der Verstärkung mit Kohlenstofffasern lassen sich höhere Spannungen aufbringen, so dass sie vor allem bei hochbeanspruchten Teilen der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. * Mit **Kohlenstofffasern** verstärkter Kohlenstoff (Eigenfaserverstärkung) ist für * hohe Einsatztemperaturen geeignet (bis über 2.000 °C). * Er findet Einsatz z. B. für * Bremsscheiben von Flugzeugen oder für andere thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Teile der Luft- und Raumfahrt.