Faserwerkstoffe

Faserwerkstoffe sind Stoffe in Form von sehr dünnen Fasern. Interessanterweise haben Werkstoffe als Fasern andere Eigenschaften im Vergleich zu ihrer kompakten Form. Insbesondere die Zugfestigkeit wird deutlich höher, was allgemein durch eine günstigere statistische Verteilung von Fehlstellen in den Fasern erklärt wird.

Faserwerkstoffe sind Bestandteile von Faserverbundwerkstoffen. In einem Verbundwerkstoff müssen Fasern einen höheren E-Modul und eine höhere Festigkeit als der Matrixwerkstoff aufweisen.

Arten und Handelsformen von Faserwerkstoffen

Faserwerkstoffe haben meist einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 10 μm. Eine wichtige Rolle spielt das Verhältnis der Länge zum Durchmesser, das bei Langfasern größer als 104 ist. Die mit Abstand wichtigsten Faserwerkstoffe sind Glasfasern, gefolgt von Kohlenstofffasern. Geringere Verwendung finden Aramidfasern, Borfasern, Polyethylenfasern und Siliziumkarbidfasern.

Faserwerkstoffe können logischerweise nicht als Einzelfasern verwendet werden. Wir setzen diese Werkstoffe in technisch sinnvollen Verwendungsformen wie Rovings, Matten, Gelege, Gewebe und Prepregs ein. Rovings sind unidirektionale, nicht versponnene Faserbündel mit einem Durchmesser von 1,0 mm. Matten sind gepresste, unverwebte, zufällig orientierte Fasern. Gelege sind durch dünne Fäden in einer oder mehreren Lagen zusammengehaltene Rovings. Gewebe sind verwobene Faserbündel und stellen die wichtigsten textilen Halbzeuge dar. Hierbei werden verschiedene Gewebearten verwendet, die aus der Textilindustrie bekannt sind. In Abb. 1 sehen wir drei Gewebe aus Faserwerkstoffen, die unterschiedlich gewoben sind.


Abb. 1 Gewebe aus verschiedenen Faserwerkstoffen

Eine besondere Handelsform von Faserwerkstoffen sind sog. Prepregs (preimpregnated). Prepregs sind bereits mit einem Duroplast-Harz vorimprägnierte Gelege oder Gewebe mit einem optimalen Harz-Gewebe-Verhältnis. Da sie ein reaktionsfähiges Polymer (Harz) enthalten, müssen sie kalt gelagert werden.

Eigenschaften wichtiger Faserwerkstoffe

Mechanische Eigenschaften wichtiger Faserwerkstoffe sind in Tab. 1 dargestellt.

Tab. 1 Mechanische Eigenschaften wichtiger Faserwerkstoffe

 Faserwerkstoff  Dichte  Zugfestigkeit in MPa E-Modul in MPa Spezifische Festigkeit Spezifischer E-Modul
 Glasfasern 2,5 g/cm3 2500…3500  73.000  60…80 2,8…3,5
 Kohlenstofffasern 1,8 g/cm3 2000…5000  240.000…550.000  100…170 15…30
 Aramidfasern 1,45 g/cm3 2800…3500  65.000…130.000  200 9,5

Glasfasern werden meist aus geschmolzenem E-Glas gesponnen. Sie sind nicht brennbar und haben gute thermische Eigenschaften. Glasfasern leiten die Wärme als besser andere Fasern. Da Glas ein isotropes Material ist, haben auch die Fasern isotrope Eigenschaften und sind ebenfalls wie Glas sehr spröde.

Kohlenstofffasern bestehen aus Graphitschichten, die in Faserrichtung orientiert sind. Sie wurden 1959 entwickelt und gewinnen seitdem stetig an Bedeutung. Ihre Herstellung erfolgt durch Pyrolyse von Polymerfasern, meist von Fasern aus Polyacrylnitril (PAN). Je nach Prozessbedingungen werden hochfeste und hochmodule Sorten gefertigt. Kohlenstofffasern sind sehr spröde. Ihre geringe Wärmeausdehnung ist mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (größere Ausdehnung mit abnehmender Temperatur) verbunden, was bei ihrer Verwendung beachtet werden muss. Sie sind elektrisch und thermisch leitend sowie chemisch beständig. Ihre Wärmebeständigkeit ist gut, jedoch nur in sauerstofffreien Medien, da die Fasern leicht oxidieren. Ihre Eigenschaften sind stark anisotrop.

Aramidfasern sind flüssigkristalline, aromatische Polyamide (ein bekannter Handelsname ist „Kevlar“), die aus einer Polymerlösung gesponnen werden. Sie sind hygroskopisch und UV-empfindlich. Ihre herausragende Eigenschaft ist die extreme Zähigkeit, was jedoch auch eine schlechte Bearbeitung zur Folge hat. Da Aramidfasern Polymere sind, ist ihre Wärmebeständigkeit gering. Ihre Eigenschaften sind anisotrop. Sie werden hauptsächlich als Garn in der Textilindustrie verwendet. <<