Faserverbundskunstoffe Flashcards
Was sind StandardWerkstoffe für FVK?
>Fasermaterial & Martrixwerkstoffe
Faser :
- Glasfaser (organisch)
- Kohlenstofffaser (organisch)
- Aramidfaser (synthetisch)
Matrix:
- thermoplastisch
- duroplastisch
Warum werden die zur Verstärkung eingesetzten Materialien von FVK nicht als eigenständiger Werkstoff verwendet ?
Die Materialien sind zu spröde
Was sind die Vor und Nachteile von FVK?
Vorteile:
- geringes Gewicht
- einstellbare Steifigkeit
- einstellbare Dehnung
- einstellbare Wärmedehnung
Nachteile:
- aufwendige Verbindungstechnik ( Herstellung)
- ungewohnte Fertigungsmethoden
- hoher Materialpreis
- Anisotropie ( richtungsabhängige Eigenschaften )
Dichte und E-Modul der Faserstoffe von FVK im Vergleich zu Aluminium, Titan und Stahl
Im Vergleich zu Aluminium und Stahl besitzen Faserverstärkte Kunststoffe eine geringe Dichte, aber ein hohe E-Modul.
Welche Faserstoffe werden selten für FVK verwendet?
- Metalle
- Bor
- Keramiken (Siliziumcarbonat)
Diese Werkstoffe sind sehr teuere und werden daher nur für spezielle Anwendungen verwendet.
Wie wird Glasfaser hergestellt und welche Arten gibt es ?
Herstellung:
Sie werden durch das Schmelzspinnverfahren bei bis zu ca. 1400C° hergestellt und bestehen zum größten Teil aus Siliziumdioxid.
Arten:
- E-Glasfaser (elektrisch, preiswert, meist verwendet)
- R-Glasfaser (resistance, hohe Festigkeit)
- S-Glasfaser (Strength,hohe Festigkeit)
- C-Glasfaser (chemisch beständig)
Woraus werden Kohlenstoffasern hergestellt?
Die C-Faserproduktion beruht zu über 90% auf dem Polyacrylnitril-Precursor (Vorläufer) (PAN)
Die übrigen werden aus Pech (Öl/ Steinkohle) gefertigt.
Wie heißen die 4 Arten von Kohlenfasern
- HT (high-tenacity, günstig)
- HM (high modulus, teuer)
- HST (high strain and tenacity, mittelpreisig)
- IM (intermediate modulus)
Was sind Vormund Nachteile von HM,HST und IM Kohlenstoffasern?
HM:
entsteht bei bis zu 3000C°
Vorteil: zweifacher Emodul von Stahl
Nachteil: teuer, geringe Bruchdehnung
HST:
Vorteil: hohe Festigkeit und Bruchdehnung
Nachteil: mittlerer E-modul, mittlerer Preis
IM:
Im Bezug aus Festigkeit und Stetigkeit ein Kompromiss zwischen HM und HST
Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Kohlenfasern im Bezug auf ihre explizite Anwendung in FVK
- der negative Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung
- elektrische Leitfähigkeit
- hohe Temperaturbeständigkeit
- chemische Beständigkeit
Wie werden Aramidfasern hergestellt und was sind ihrer Eigenschaften?
Aramidfasern ... ... sind hochmodulig ... haben eine hohe thermisch Stabilität ... haben eine hohe Festigkeit ... haben eine Steifigkeit ... haben eine Schlagzähigkeit ...sind flammfest & selbstlöschend ... negativer Wärmeausdehnungskoeffizient ... empfindlich für Druck und Wasser
Sie werden aus Amidgruppen ( CONH) und aromatischen Ringen aufgebaut. Polyamid wird aufgelöst, vorgesponnen und gestreckt. Dadurch wird in Faserrichtung orientiert und anschließend kristallisiert.
Welche Eigenschaften sind für eine optimale FVK Auslegung besonders wichtig ?
Besonderswichtig sind Haftung und mechanische Verträglichkeit von Faser und Matrix.
Wie bezeichnet man die Haftverbesserung der Verstärkungsfaser und wozu dient sie ?
Glas/ Kohlenstofffaser: Schlichte
Aramidfaser: Avivagen
Sie dienen als…
- Schutzschicht
- chemisch bindende Zwischenschicht
Welche 4 Lieferanten von Verstärkungsfasern gibt es ?
- Rovings
- Vliese
- Gewebe
- Gelege
Dabei werden Filamente aufgrund ihres geringen Durchmessers ( wenigen Mikrometer) immer zu Fäden zusammen gefasst.
Was sind Rovings und wo werden sie häufig verwendet?
Rovings sind parallele Faserstränge aus mehreren Fäden.
Eine wichtige Größe ist dabei die Garnfreiheit (Tifer), welche die Masse einer Faser pro Länge angibt. ( T=m/L)
Sie werden verwendet für:
- Faserwickeltechnik
- Faserflechttechnik
- Pultrusionsverfahren
Was sind Vliese und wo werden sie häufig verwendet ?
Vliese (Wirrfasermatten) bestehen aus flächig abgelegten ungeordneten Fasern mit einer Länge von ca. 5cm. Diese werden mit einem Bindemittel verklebt.
Die mechanischen Eigenschaften sind relativ schlecht .
Vorrangig findet es bei den Pressformmassen (SMC, GMT) Verwendung.
Was sind Gewebe und Geflechte und wo werden sie häufig verwendet ?
Gewebe und Geflechte habe ein hohe Drapierbarkeit und sind deshalb von großer Bedeutung für:
- komplizierte Geometrien & großflächige Bauteile
- das Handlaminierverfahren
- das Injektionsverfahren
- Infusionsverfahren
Wie werden Gelege hergestellt und was sind besondere Eigenschaften ?
Bei Gelegen werden die Verstärkungsfasern parallel gelegt und durch Wirkfäden und Klebungen fixiert.
Die Drapierbarkeit ist schlecht, jedoch kann die optimale Verstärkungsrichtung berücksichtigt werden.
Was ist Prepreg
Verstärkungsfasern können als Prepreg bezogen werden (erworben).
Dann sind die Fasern bereits mit einer Matrix imprägniert. Der Verarbeiter muss nur noch die Form vorgeben und dann das Reaktionsharz oder den Thermoplast aushärten lassen.
Welche 4 Aufgaben übernimmt die Matrix von FVK
1: Fixierung der Faser (Geometrie)
2: Kraftübertragung
3: Stützen bei Druck ( Stabilität)
4: Schutz vor Umwelt ( Feuchte, Chemie…)
Welche 4 Kunststoffe sind die am meisten verwendeten Duroplasten im Bereich des FVK?
1: Polyesterharze (UP) >günstig
2: Vinylesterharz (VE) >teuer, chemisch beständig
3: Epoxidharze (EP) >für hohe mechanische Beanspruchung
4: Phenolharze (PF) >am billigsten temperaturbeständig
Welche Vor/Nachteile haben Thermoplasten gegenüber Duroplasten der der Verwendung der Matrix ?
Vorteile:
- wesentlich höhere Bruchdehnung
- hohes Energieabsorptionsvermögen
- große Variation der Eigenschaften/Preise
Nachteile:
- starke Neigung unter Last zu kriechen
- Thermische Abhängigkeit
Welche Arten von Harzsystemen gibt es ?
- kalthärtend
- warmhärtend
- lichthärtend
Wodurch zeichnen sich langfaserverstärkte Kunststoffe aus und wie wirkt die Faser länge auf die Stetigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit?
Langfaserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich aus durch:
- hohe Festigkeit und Schlagzähigkeit
- Fasern mit guten mech. Eigenschaften
- eine Matrix mit mäßigen mechanischen Eigenschaften.
Was ist ein UD-ES?
Eine unidikretionale Einzelschicht.
Sie ist ein FVK Verstärkungsstoff, deren Fasern parallel in nur eine Richtung gelegt sind.
Dadurch sind die Eigenschaften in eine Richtung faserdominiert und senkrecht dazu matrixdominiert.
Wie sind Faservolumengehalt und Fasergewichtsgehalt definiert und wie hängen sie zusammen?
Faservolumengehalt:
Mengenverhältnis von Verstärkung- zum reinen Matrixmaterial.
Fasergewichtsgehalt:
Kann aus den Komponentengewichten bestimmt werden.
𝞀F= V Faser/V Verbund= AF/AV= 1/1+((1-𝝭)/𝝭)*𝞀 Faser/𝞀 Matrix
𝞇= Fasergewichtsgehalt 𝞺F= Faservolumengehalt
Wie verhalten sich unidirketionale Einzelschichten in einer Parallel oder in einer Reihenschaltung?
Parallelschaltung:
Addition der Kräfte, identische Verformung
Reihenschaltung:
Addition der Verformung. identische Kräfte
Welche 4 Kennwerte einer unidirketionalen Einzelschicht müssen bekannt sein, um die mechanischen Eigenschaften hinreichend genau beschreiben zu können ?
E1: Stetigkeit parallel zur Faserrichtung
E2: Stetigkeit senkrecht zur Faserrichtung
G12:Schubmodul
v12: Querkontrationszahl
> Formeln !!!
Was ist der, unter dem Leichtbau Aspekt ungünstigste Fall einer Laminatkonstruktion?
Ein sogenanntes quasi-isotropes Laminat welches aus vielen Faserschichten (gleiche Dicke) mit allen möglichen Richtungen besteht
