Werkstoffe I - Faserwerkstoffe Flashcards
Was ist der Titer?
Die Masse des Garns bei einer definierten Länge
Was versteht man unter dem Größeneffekt?
-Größeneffekt: statistisch betrachtet ist in
einem großen Werkstoffvolumen die Anzahl
festigkeitsreduzierender Fehlstellen deutlich
größer ist als in einem kleinen Volumen
-Kleines Volumen ⇒ weniger Strukturfehler,
Poren und Einschlüsse
-Druckfestigkeit nimmt mit einer Reduzierung des Durchmessers ab
-Dieser Effekt ist auch im Bauteil zu erkennen ⇒ Prüfkörper für Untersuchungen müssen die gleiche Geometrie und das gleiche Volumen aufweisen
-> Die Festigkeit von Faserbündeln steigt mit
abnehmenden Durchmesser von Fasern und
Faserbündeln
Nenne zwei Arten von Glasfasern & Carbonfasern
Glasfasern: -S-Glas (für hohe mechanische Anforderungen)
-Z-Glas (zementbeständiges Glas)
Carbonfasern: -Hochfeste Carbonfasern
-Hochsteife Carbonfasern
Skizziere den Carbonfaserherstellungsprozess
-> Carbonfasern werden zu 90 % aus Polyacrylnitrilfasern (PAN)
hergestellt.
- Stabilisierung (Oxidation):
-Umwandlung in nichtschmelzbare, nichtbrennbare Faser
-Farbänderung von weiß nach schwarz
-Dichtezunahme, Masseverlust, Festigkeitsabnahme
-Unter Zugspannung, sonst Schrumpf und schlechtere
mechanische Eigenschaften der Carbonfaser
-Der C-Gehalt sinkt von 68 % auf 65 % - Carbonisierung:
- Abbau der Nicht-Kohlenstoffatome: C-Gehalt > 92 %
- Dichtezunahme, Masseverlust
- Festigkeits- und Steifigkeitszunahme - Graphitierung
- Optionaler Prozess (zur Herstellung von Hochsteifen Karbonfasern)
- in inerter Atmosphäre bei 2000° bis 3000°
- Pech-basierte Fasern
- Weitere Zunahme des E-Moduls durch erhöhte Orientierung der Graphitschichten in der Faser - Oberflächenbehandlung
Welche Teilreaktionen gibt es bei der Stabilisierung im CF-Herstellungsprozess?
- Möglichkeit: Erst Cyclisierung, dann Dehydrierung
- Möglichkeit: Erst Dehydrierung, dann Cyclisierung
(Dehydrierung = +O2, -H2O)
- Möglichkeit: Erst Dehydrierung, dann Cyclisierung
- Möglichkeit: Erst Cyclisierung, dann Dehydrierung
- Anschließende Oxidation
Nenne zwei Anwendungsgebiete von Aramid-, Glas-, oder Carbonfasern
- Glasfasern: Textilbeton und im Transportsektor
- Carbonfasern: Luft- und Raumfahrt und Automobilbranche
- Aramidfasern: Schutzbekleidung und Reifencord
Worin unterscheidet sich die molekulare Struktur von
Glasfasern zu Carbon- oder Aramidfasern?
Die Glasfasermoleküle liegen in einem amorphen Zustand vor, das bedeutet, dass die kristalline Molekülstruktur ohne Orientierung vorliegt (das wiederum führt zu einem isotropen (richtungsunabhängigen) Verhalten)
Woher beziehen Faserwerkstoffe ihre Eigenschaften?
-> Glas: -Kovalente Bindungen zwischen Silizium und Sauerstoff (3-dimensional) -Rasche Abkühlung verhindert Kristallisation: amorpher Zustand (ohne Orientierung) -Isotropes, d. h., richtungsunabhängiges Werkstoffverhalten
-> Aramid: -In Faserrichtung starke kovalente Bindungen (1-dimensional) -Zwischen den Ketten schwächere Wasserstoffbrückenbindung -Kristalline Struktur mit sehr hoher Orientierung -Anisotropes, d. h., richtungsabhängiges Werkstoffverhalten
-> Carbon: -In Faserrichtung starke kovalente Bindungen
(2-dimensional)
-Zwischen den Kohlenstoffschichten nur schwache
Van-der-Waals-Bindungskräfte
-Kristalline Struktur mit hoher Orientierung
-Anisotropes, d. h., richtungsabhängiges Werkstoffverhalten
Globaler Bedarf an Verstärkungsfasern
Glasfaser: 5.000.000 Tonnen (2015)
Aramidfasern: 78.200 Tonnen (2015)
Carbonfasern: 70.000 Tonnen (2016)
Anwendungsgebiete Glasfasern
Textilbeton
Transportsektor
Windräder
Sport- und Freizeit
Eigenschaften von Glasfasern
Mechanisch und dynamisch: -hohe Zugfestigkeit (bis 3.700 MPa)
- moderater E-Modul (70 – 115 GPa)
- Dichte (2,46 – 2,6 g/cm^3)
- hohe Bruchdehnung
- Isotroper Werkstoff
- hohe Druckfestigkeit
Chemisch: -hohe Medienbeständigkeit, z.T. beständig
gegen Säuren und Laugen, sowie beständig gegenüber Lösungsmitteln und Ölen
-unbrennbar
Thermisch: -hohe Wärmefestigkeit (bis 250 °C)
Elektrisch: -gute elektrische Isolierfähigkeit
-gute dielektrische Eigenschaften
Klassifizierung von Glasfasern
- > Grundwerkstoffe für Glasfasern sind: Quarz (SiO2), Korund (Al2O3), Calciumcarbonat (CaCO3), Boroxide,….
- > Je nach Art der Zusammensetzung unterscheidet man in folgende Glasarten: -A-Glas (Alkalisilicatglas und Kalksilicatglas für spezielle Anwendungen)
- AR-Glas (alkaliresistentes Glas, für Zement/Beton)
- C-Glas (Kalksilicatglas mit höheren Borgehalt, chemisch widerstandsfähig)
- D-Glas (für Dielektrische Anforderungen)
- E-Glas (alkalifreie Alumoborsilicatglas für Kunststoffverstärkungen und Elektroindustrie) ⇒ Standard-Glasfaser
- M-Glas (BeO-haltig mit hohem E-Modul)
- R-Glas (für hohe mechanische Anforderungen)
- S-Glas (für hohe mechanische Anforderungen)
- Z-Glas (zementbeständiges Glas)
Ablauf des Düsenziehverfahrens für Glasfilamente
- Glas wird Schmelzofen aufgeschmolzen
- Düsen - Bushing
- 1.150 °C – 1.350 °C
- Vollständig oxidierte Schmelze - Sprühwasser
- Abschrecken (unter 100 °C)
- Faserbildung / Erstarrung und Glasstruktur
- Oberfläche: Bildung von Hydroxy-Gruppen - Auftragung der Schlichte (Sizing Applikator)
- Wasser
- Haftvermittler
- Binder
- Additive - Wickler
- Hohe Geschwindigkeit (2.000 bis 4.000 m/min)
- Glasstruktur wird gestreckt, modifiziert und orientiert
Aufmachungen bei
a) Glasfasern
b) Carbonfasern
c) Aramidfasern
Glasfasern: -Roving
- Stapelfaser
- Vliese
Carbonfasern: -Roving, Heavy Tow
- Kurzfaser
- Pulpe
Aramidfasern: -Roving
- Kurzfaser
- Pulpe
Eigenschaften von
a) Glasfasern
b) Carbonfasern
c) Aramidfasern
Glasfasern: -Feinheit: z. B. Direktoving 320-2.400 tex
- Filamentdurchmesser: 3-14 μm
- Anzahl Filamente: 800-2.000
Carbonfasern: -Filamentdurchmesser: ca. 7 μm ⇒
Bündelung zu Rovings
-Rovings: 1.000 bis 320.000 Einzelfilamente,
Heavy Tow ab 40.000
-Sehr hoher Energiebedarf für die
Herstellung: 10 kg ≙ 90 min Beleuchtung Allianz Arena
Aramidfasern: -Feinheit: 22 – 966 tex
- Filamentdurchmesser: ca. 14 μm
- Anzahl Filamente: 65 – 6.000
Anwendungsgebiete Carbonfasern
Luft- und Raumfahrt Automobil Baubranche Energiesektor Sport und Freizeit
Eigenschaften von Carbonfasern
Mechanisch und dynamisch:
- hohe Festigkeit (3.000 – 7.000 MPa)
- hoher Elastizitätsmodul (200 – 900 GPa)
- niedrige Dichte (ca. 1,7 g/cm3)
- geringe Kriechneigung
- gute Schwingungsdämpfung
- geringe Materialermüdung
- Anisotroper Werkstoff
Chemisch: -chemisch inert -nicht korrosiv -hohe Beständigkeit gegen Säuren, Alkalien und organische Lösungsmittel -gut körperverträglich
Thermisch: -geringe (negative) Wärmeausdehnung
-gute Wärmeleitfähigkeit
-äußerst Temperaturbeständig
(bis 500 °C)
Elektrisch: -gute elektrische Leitfähigkeit
Elektromechanisch: -geringe
Röntgenstrahlenabsorption
-unmagnetisch
Klassifizierung von Carbonfasern
Hochfest Kohlenstofffasern: -High-Tensile (HT)
- Intermediate Modulus (IM)
- High Strain and Tenacity (HST)
Hochsteife Kohlenstofffasern: -High-Modulus (HM)
• Ultrahigh-Modulus (UHM)
-> Entsprechend den Eigenschaften der Precursormaterialien und Prozessparameter werden die resultierenden Materialkennwerte definiert eingestellt
Prozessparameter bei der Stabilisierung von Carbonfasern
- Temperatur: 200 – 300 °C
- Bis zu 6 Öfen
- Gesamtverweilzeit: 120 min
- Atmosphäre: Luft
- Fasern stehen unter Zugspannung
Prozessparameter in bei der Carboniesierung von Carbonfasern
- 2 Öfen: Nieder- und Hochtemperatur (LT & HT)
- Temperatur: LT bis 950 °C; HT bis 1.500 °C
- Verweilzeit je Ofen: ca. 2 min
- Atmosphäre: Stickstoff, Argon (Graphitierung)
- Fasern stehen unter Zugspannung
Anwendungsgebiete Aramidfasern
Schutzbekleidung
Reifencord
Segel
Tragflächen von Segelflugzeugen
Eigenschaften von Aramidfasern
Mechanisch und dynamisch: -hohe Zugfestigkeit
(1. 500 – 2.500 MPa)
- moderater Elastizitätsmodul (60 - 150 GPa)
- niedrige Dichte (1,38 - 1,44 g/cm³)
- hohe Zähigkeit
- gute Schwingungsdämpfung
- große Arbeitsaufnahme durch Energieabsorption
- geringe Materialermüdung
- anisotroper Werkstoff
Chemisch: -gute Chemikalienbeständigkeit,
ausgenommen starke Säuren
und Alkalien
Thermisch: -hohe Temperaturbeständigkeit
(250 – 300 °C)
-geringe (negative) Wärmeausdehnung
-geringe Wärmeleitfähigkeit
Elektrisch: -gute elektrische Isolierfähigkeit
-gute dielektrische Eigenschaften
Arten von Aramidmolekülen
Je nach Molekularstruktur werden meta-Aramide (2. C-Atom, zick-zack) und paraAramide (3. C-Atom, lang-gestreckt) unterschieden. Daraus resultieren unterschiedliche
Eigenschaften und Einsatzgebiete
- > meta-Aramid ⇒ flammresistent
- > para-Aramid ⇒ Verstärkungsfaser
Herstellungsprozess von Aramidfasern
- > Aramide zersetzten sich bereits unterhalb ihres Schmelzpunktes. Daher werden sie nach dem Lösungsmittelspinnverfahren, entweder nass (Spulgeschwindigkeit 300m/min) oder trocken (Spulgeschwindigkeit 200m/min), hergestellt.
- > Lösungsmittel ist meist konzentrierte Schwefelsäure
- > Nachbehandlungsprozesse: -Waschen
- Neutralisieren
- Trocknen
- Verstrecken
- Schlichteauftrag
- Aufspulen
