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Faserverbundsstoffe > Werkstoffe I - Teil 2 > Flashcards

Werkstoffe I - Teil 2 Flashcards

1
Q

Welche Aufgabe übernimmt die Faser in einem FVK und welche die Matrix

A
  • > Faser: -Aufnahme aller Zug-/Druckkräfte
  • Bestimmend für Steifig-/Festigkeit
  • > Matrix: -Fixierung der Faser in der gewünschten Geometrie
  • Übertragung der Kräfte
  • Stützung bei Druckbelastung
  • Schutz vor Umgebungsmedien
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2
Q

Wie unterschieden sich duroplastische und
thermoplastische Matrizen hinsichtlich ihrer
Verarbeitungseigenschaften?

A

Duroplastische Matrixsysteme werden im Gegensatz zu thermoplastischen Materialien erst im Verarbeitungsprozess synthetisiert. Die chemische Erzeugung des Kunststoffs liegt damit beim Verarbeiter.

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3
Q

Was sind die typischen Bestandteile duroplastischer

Matrizen?

A
  • Harz: Polymerkettensegmente
  • Härter: niedermolekular (kleine Moleküle)
  • Beschleuniger: Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
  • Inhibitor: Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit
  • Füll- bzw. Hilfsstoffe
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4
Q

Welche Prozess-Parameter nehmen Einfluss auf die

Aushärtungsreaktion?

A

Wärme/Aktivierungsenergie und Druck

Außerdem noch die chemische Konstitution

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5
Q

Warum werden Füll- und Hilfsstoffe eingesetzt?

A

->Zur gezielten Beeinflussung der Verarbeitungs- oder der Bauteileigenschaften

Für Verarbeitungseigenschaften:

  • Mineralisches/ThermoplastPulver
  • Entformungs-/Trennmittel
  • Verdickungsmittel (z.B. Baumwollflocken)
  • Verdünner

Für Bauteileigenschaften: -Kostendämpfer (z.B. Kreide, Quarzmehl, Holzmehl)

  • Farbstoffe und Pigmente
  • Flammschutzmittel
  • Schlagzähigkeitsmodifizierer
  • Stabilisatoren
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6
Q

Was sind Vor- und Nachteile von thermoplastischen

Matrizen?

A

Die thermoplastischen Materialien wie PEEK und PES weisen hohe Wärmeformbeständigkeiten
auf, werden jedoch aufgrund ihres hohen Preises (PEEK: ca. 70 €/kg, PES: ca. 15 €/kg,
PP: < 2 €/kg) nur begrenzt eingesetzt.

Generell besitzen Thermoplaste eine deutliche höhere Bruchdehnung, als Duroplaste

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7
Q

Was sind typische Bauteilmängel von FVK?

A

-> Thermoplastische FVK
-Thermische Schaedigung (Zersetzung der
Matrix)
-Unzureichende Tränkung/Benetzung

->Duroplastische FVK
-Zu frühe Vernetzung (falsche
Temperaturführung, zu hohe
Verweilzeiten, Rezepturfehler)
-Unzureichende Vernetzung (Rezeptur,
Mischungsfehler, Härtungsfehler, Feuchte
im Harz)
-Unzureichende Tränkung/Benetzung

Generell gilt: Die Kombination von Verstärkungsfasern und Kunststoffmatrix stellt hinsichtlich dem Prozessfenster der Materialien und den möglichen Verarbeitungsfehlern eine Herausforderung dar. Zur Ermittlung des optimalen Prozessfensters sowie zur Überprüfung der Bauteilqualität sind umfassende Analysen der Materialien daher
unumgänglich.

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8
Q

Wie lassen sich typische Baumängel von FVK analysieren?

A

Analyse der Matrixmaterialien

Analyse der Verbundeigenschaften

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9
Q

Wie lassen sich typische Baumängel von FVK analysieren? a) Analyse der Matrixmaterialien

A

-Rheologie (Platte-Platte-Rheometer, Kapillarrheometer)
-Dichte (Pyknometer)
-Reaktionskinetik (Differential Scanning Calorimetry (DSC))
-Thermisches Verhalten (Thermogravimetrische Analyse
(TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC))
-Schwindung (pvT-Messungen)

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10
Q

Wie lassen sich typische Baumängel von FVK analysieren? b) Analyse der Verbundseigenschaften

A

-Imprägnierqualität (Auflichtmikroskopie, REM, US Scanner)
-Faservolumengehalt (Veraschungsversuche)
-Permeabilität (Permeameter)
-Reaktionskinetik (Dielektrischer Analysator (DEA),
Druckverlauf, Temperaturverlauf)
-Mechanische Analysen (Statisch: Zugversuche, Biegeversuche, Impactversuche; Dynamisch-mechanische Analyse (DMA))

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11
Q

Einfluss des Thermo-volumetrischen Verhaltens

A

Die thermo-volumetrischen Eigenschaften nehmen entscheidenden Einfluss auf Konsolidierungsprozesse. Sie können Verarbeitungsfehler, wie Eigenspannungen, Einfallstellen und Oberflächenwelligkeiten, verursachen.

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12
Q

Vergleich Duroplaste und Thermoplaste

hinsichtlich Verarbeitungstemperaturen und Viskositätsentwicklung

A

Die Verarbeitungsviskosität von Thermoplasten (h ~ 10^2 bis 10^3 Pas) ist um Größenordnungen höher als die von nicht ausgehärteten Duroplasten (h ~ 10^-2 bis 10^ Pas).

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13
Q

Ingenieurtechnische Definition des Fortschritts der Aushärtungsreaktion

A

In der ingenieurstechnischen Anwendung
wird der Aushärtungsgrad C* über die
Relativmessung von reaktionsabhängigen
Materialeigenschaften bestimmt.

-Messgröße Prozessanalyse:
Reaktionsenthalpie
-Messgröße Qualitätssicherung:
Mechanische Eigenschaften

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14
Q

Chemische Definition des Fortschritts der Aushärtungsreaktion

A

In der Chemie Wird der Reaktionsfortschritt/-umsatz allgemein über die
Konzentration der einzelnen Edukte und
Produkte im Reaktionsgemisch beschrieben.
Dem Verarbeiter sind die exakte Stöchiometrie und die Hilfsstoffe
im Material in der Regel nicht bekannt

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15
Q

Verfahren zur Aktivierung der Aushärtungsreaktion

duroplastischer Matrixwerkstoffe

A

->Warmhärtung:
-Harz + Härter
-Auslösung der Härtungsreaktion durch Wärme
-Anwendungen: Pressen, RTM, Prepreg (Autoklav),
Vakuuminfusion (Autoklav)

->Kalthärtung
-Harz + Härter + Beschleuniger
-Auslösung der Härtungsreaktion durch
Beschleunigerzerfall (Zeit)
-Anwendungen: Vakuuminfusionsverfahren

->Lichthärtung
-Harz + Härter + Beschleuniger
-Auslösung der Härtungsreaktion durch
Beschleunigerzerfall (UV-Licht)
-Anwendungen: Vakuuminfusion, Prepreg

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16
Q

Möglichkeiten zur

Beeinflussung der Reaktionskinetik

A

-> Katalysatoren und Inhibitoren

-Katalysatoren (Beschleuniger) und Inhibitoren werden dem reaktionsgemisch
Zugegeben um die Reaktionskinetik chemisch den Anforderungen des Prozesses anzupassen
-Die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch Erhöhung der Temperatur und/oder des Katalysatoranteils beschleunigt werden
-Inhibitoren verlangsamen die Reaktionsgeschwindigkeit

17
Q

Besonderheit von Snap-Cure-Materialien

A

Snap-Cure Materialien sind so eingestellt, dass die Reaktion ab einer definierten Temperatur sehr schnell abläuft

18
Q

Reaktionskinetik duroplastischer Matrixwerkstoffe

A

-> Das Verarbeitungsfenster von duroplastischen
Matrixwerkstoffen zur Faserimprägnierung
ergibt sich als dem resultierenden
Viskositätsverlauf während der Verarbeitung.
Dieser ergibt sich aus:
-der physikalischen Viskositätsverringerung durch den Temperaturanstieg im Harz, hervorgerufen durch
eine Temperierung der Einzelkomponenten und/oder durch den Kontakt mit dem beheizten Werkzeug
sowie
-aus dem Viskositätsanstieg hervorgerufen durch die voranschreitende
chemische Vernetzung im Harz

19
Q

Gelpunkt bei der Reaktionskinetik duroplastischer Matrixwerkstoffe

A

-> Der Gelpunkt ist erreicht, wenn sich ein (Makro-)Molekül über das gesamte Bauteil
erstreckt, bzw. ein Molekül unendlich groß ist, d.h. dass der Imprägniervorgang
abgeschlossen sein muss

  • > Messtechnische Erfassung:
  • Viskosität geht gegen unendlich
  • Speicher- und Verlustmodul sind gleich
20
Q

Snap-Cure-Materialien

A

-Snap-Cure Materialien sind so eingestellt, dass die Reaktion ab einer definierten
Temperatur sehr schnell abläuft
-dienen zur Optimierung der Aushärtungsreaktion zur Kontrolle und Verkürzung der Reaktionszeit
!Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit senkt die
Zykluszeiten
!Höhere Reaktiongeschwindigkeiten erfordern eine sehr gute Prozesskontrolle

21
Q

Beispiele für die In-situ Verarbeitung

thermoplastischer Matrixmaterialien

A

Polyamid 6: Die Reaktion ist sehr sensitiv gegenüber Feuchtigkeit
Polymethylmethacrylat: PMMA weist als amorpher TP eine niedrige Tg auf

->Durch in-situ-Verarbeitung können sehr hohe Polymerisationsgrade erreicht werden, sodass sehr gute Materialeigenschaften werden können

22
Q

Materialsteckbrief (Ungesättigtes) Polyesterharz (UP)

A

Anwendung: Faserspritzen, Sheet Moulding Compund, Handlaminieren, Vakuuminfusion
chemischer Mechanismus: Polymerisation
Preis: < 5€/kg
Eigenschaften: -in weiten Bereichen einstellbare mechanische Eigenschaften
-Einstellbare Reaktivität
-Hohe Verarbeitungsschwindung
Härter: Styrol (Starke Geruchsbildung, Zunehmend legislativ eingeschränkt)
Harz: Dicarbonsäure

23
Q

Materialsteckbrief Vinylestherharz (VE)

A

Anwendung: Handlaminieren, Vakuuminfusion
chemischer Mechanismus: Polymerisation
Preis: < 5€/kg
Eigenschaften: -Mittleres mechanisches und thermisches Eigenschaftsspektrum
-Gute chemische Beständigkeit
-Einstellbare Reaktivität
-Hohe Verarbeitungsschwindung
Härter: Styrol (Starke Geruchsbildung, Zunehmend legislativ eingeschränkt)
Harz: Vinylesterharz

24
Q

Materialsteckbrief Phenolharz

A 
Anwendung: Nasspressen, Hartgewebe
chemischer Mechanismus: Polykondensation
Preis: < 10€/kg
Eigenschaften: -Geringe mechanische Eigenschaften
-Gute Brandbeständigkeit
-Gute chemische Beständigkeit
-Niedrige Feuchteaufnahmen
-Komplexe Verarbeitung (Prozessdruck und
Dampfdruck des entstehenden Wassers)
Härter: Styrol (Starke Geruchsbildung, Zunehmend legislativ eingeschränkt)
Harz: Phenol
25
Q

Materialsteckbrief Epoxidharz (EP)

A

Anwendung: Flüssigimprägnieren, Handlaminieren, Prepreg, Nasspressen
chemischer Mechanismus: Polyaddition
Preis: 10€/kg
Eigenschaften: -Gute mechanische und thermische Eigenschaften
-Einstellbare Reaktivität durch Vielzahl an Härtern
(z.B. Amine oder Säureanhydride)
-Geringe Verarbeitungsschwindung
-Genaue Dosierung von Harz und Härter notwendig
Härter: Aminhärter (Hautsensibilisierende Wirkung)
Harz: Epoxidharz

26
Q

Materialsteckbrief Polyurethan (PU)

A

Anwendung: Flüssigimprägnieren, PUR-Faserspritzen, Nasspressen
chemischer Mechanismus: Polyaddition
Preis: 10€/kg
Eigenschaften: -Sehr breit einstellbares Eigenschafts- und Verarbeitungsspektrum
-Geringe Verarbeitungsschwindung
-Genaue Dosierung von Harz und Härter notwendig
Härter: Isocyanate (Starkes Gefährdungspotenzial für Atemwege)
Harz: Polyol

27
Q

Was sind Thermoplaste ?

A

-lineare oder verzweigte Kettenmoleküle
-Zusammenhalt der Makromoleküle über
intermolekular Wechselwirkungen (physikalischen
Bindungskräfte)
-Die Makromoleküle sind nicht untereinander nicht
vernetzt, dadurch sind Thermoplaste schmelzbar, quellbar und löslich
-Da Thermoplaste in der Regel nach der
Polymerisation verarbeitet werden, besitzen sie
eine hohe Verarbeitungsviskosität

28
Q

Was sind Elastomere ?

A
  • schwach vernetzte Kettenmoleküle

- nicht schmelzbar, quellbar, unlöslich, bei Raumtemperatur elastisch - weich

29
Q

Was sind Duroplaste ?

A

-Makromoleküle sind über kovalente Bindungen
miteinander chemisch verbunden
- Die Makromoleküle sind untereinander stark
räumlich vernetzt, dadurch sind Duroplaste nicht schmelzbar, nicht quellbar und schwer löslich
- Duroplaste sind amorphe Werkstoffe
- Da Duroplaste in der Regel vor der Polymerisation
verarbeitet werden bzw. bei der Verarbeitung polymerisieren, besitzen sie eine geringe initiale
Verarbeitungsviskosität

30
Q

Beispiele für

a) Standardkunststoffe
b) Technische Kunststoffe
c) Hochleistungskunstoffe

A

a) PE, PP, PVC
b) PA. PC. PET
c) PEEK, PTFE, PPS

mit steigendem Preis und verbesserten Eigenschaften von a) zu c)

Faserverbundsstoffe (11 decks)

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