Einteilung von Verbundwerkstoffen

Jeder Verbundwerkstoff besteht aus mindestens zwei Einzelstoffen, aus einem Matrixstoff (Bindestoff, Grundwerkstoff) und einem Verstärkungsstoff. Die beiden Stoffe gehören i. d. R. zu verschiedenen Werkstoffgruppen und haben unterschiedliche Aufgaben. Durch die Kombination lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften der Verbundpartner ausnutzen. Bei den Verbundwerkstoffen werden oft die Prinzipien der Naturstoffe angewandt.

Der Matrixstoff soll den Zusammenhalt eines Verbundwerkstoffes gewährleisten und Kräfte übertragen. Er soll eine mindestens ausreichende Zähigkeit besitzen und dem Verbund ggf. noch Wärmeleitfähigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit verleihen. Der Verstärkungsstoff soll, entsprechend seiner Bezeichnung, Festigkeit und Steifigkeit des Verbundwerkstoffes gewährleisten. Die wichtigste Bedeutung hat, neben seiner Art, die Form des Verstärkungsstoffes, ob er als Teilchen, als Faser oder in Schichten vorliegt.

Die Erfüllung der Aufgaben kann nur bei ausreichender Haftung zwischen der Matrix und dem Verstärkungsstoff erfolgreich sein. Als Matrixstoff kann prinzipiell jeder Werkstoff verwendet werden. Das Hauptkriterium für die Auswahl eines Matrixstoffes ist die Einsatztemperatur des Verbundwerkstoffes.

Kunststoffe können bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Meist werden Duroplaste, insbesondere Epoxid- und Polyesterharze als Matrixstoffe verwendet. Die Verwendung von Thermoplasten ist noch selten, zu ihnen zählen vor allem Polyamide sowie Polypropylen und Polycarbonat. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Herstellung bilden Verbundwerkstoffe mit einer Polymermatrix die größte Gruppe.

Metalle als Matrixstoff ermöglichen höhere Einsatztemperaturen, jedoch ist die Herstellung dieser Verbundwerkstoffe kompliziert. Vor allem werden Aluminium und Kobalt verwendet.

Die höchsten Einsatztemperaturen von Verbundwerkstoffen sind mit einer keramischen Matrix möglich. Dabei werden die Aufgaben der Stoffe anders aufgeteilt. Der Matrixstoff soll neben dem Zusammenhalt auch die Steifigkeit gewährleisten. Der Verstärkungsstoff (Name ist hier nicht passend) soll die Zähigkeit des Verbundwerkstoffes verbessern. Für eine keramische Matrix werden vor allem Aluminiumoxid und siliziumbasierte Nichtoxidkeramiken verwendet. Da Keramiken nur sintertechnisch herstellbar sind, ist auch die Herstellung dieser Verbundwerkstoffe kompliziert und aufwendig.

Verbundwerkstoffe werden nach der Form des Verstärkungsstoffes eingeteilt (Abb. 1). Dabei spielt auch die Rolle, wie die Verbundpartner zueinander angeordnet sind.

 

 

 

 

 

                  Abb. 1 Einteilung von Verbundwerkstoffen nach der Form des Verstärkungsstoffes

Bei Teilchenverbundwerkstoffen liegt der Verstärkungsstoff in Form von Teilchen in der Matrix vor. Je nach Teilchengröße und -verteilung sind verschiedene Variationen möglich. Die technisch wichtigsten Teilchenverbundwerkstoffe sind Hartmetalle. 

Bei Faserverbundwerkstoffen liegt der Verstärkungsstoff in Form von Fasern in der Matrix vor. Hierbei können die Fasern verschiede Längen und Ausrichtungen haben. Die Faserverbundwerkstoffe bilden die größte und technisch wichtigste Gruppe der Verbundwerkstoffe.

Bei Durchdringungsverbundwerkstoffen bilden die Verbundpartner einen gefügeähnlichen Verbund. Am häufigsten bestehen diese Verbundwerkstoffe aus einem porenhaltigen Gerüst eines höher schmelzenden Metalls (meist Wolfram), in das ein niedrig schmelzendes Metall (meist Kupfer und Silber) eingesaugt wird. Diese eher seltenen Werkstoffe werden oft nicht zu den Verbundwerkstoffen gezählt. Unter dem Namen Kontaktwerkstoffe finden sie in der Energietechnik Verwendung.

Bei Schichtverbundwerkstoffen liegen die Verbundpartner schichtweise übereinander. Die Schichtdicke kann variabel sein. Die Unterscheidung zwischen einem Matrix- und einem Verstärkungsstoff ist hierbei nicht sinnvoll. Werkstoffe dieser Gruppe werden mitunter als Werkstoffverbunde bezeichnet, um sie von den anderen Gruppen abzugrenzen.

Teilchen-, Durchdringungs- und Faserverbundwerkstoffe sind makroskopisch quasihomogen. Hingegen sind Schichtverbundwerkstoffe makroskopisch inhomogen und somit keine richtigen Werkstoffe mehr, sondern eher Konstruktionen. <<