Die moderne Verwendung von Verbundwerkstoffen in der Fertigung ist nicht neu und reicht mehrere Jahrzehnte zurück, bis in die frühen 1960er Jahre. Und schon davor wurde die Kombination von Fasern mit einer flüssigen Matrix in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die vom bewährten getrockneten Lehm und Stroh (Lehmziegel) bis zu einem von der Ford Motor Co. (Detroit, Mich., USA) im Jahr 1941 entwickelte Konzeptauto, dessen Karosserieteile aus naturfaserverstärkten Verbundwerkstoffen bestanden.
Trotz dieser Tatsache sind Verbundwerkstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl, Aluminium, Eisen und Titan immer noch in den Kinderschuhen und werden erst jetzt von Konstruktions- und Fertigungsingenieuren besser verstanden. Außerdem werden Verbundwerkstoffe durch ihre nicht isotrope Beschaffenheit behindert, was ihre Modellierung und Simulation schwierig macht. Die physikalischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen – in Verbindung mit ihrem unschlagbar geringen Gewicht – machen sie jedoch unbestreitbar attraktiv.
Für den Neuling im Bereich der Verbundwerkstoffe gibt es glücklicherweise Hoffnung, und zwar aufgrund der Tatsache, dass diese Materialien leicht zu verstehen und anzuwenden sind. Im Folgenden wird eine Einführung in die Fasern und Harze gegeben, die typischerweise bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet werden.
Gewinnende Eigenschaften
Hohe Festigkeit und geringes Gewicht bleiben die gewinnende Kombination, die Verbundwerkstoffe in neue Bereiche vorantreibt, aber andere Eigenschaften sind ebenso wichtig. Verbundwerkstoffe bieten eine gute Schwingungsdämpfung und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), Eigenschaften, die für spezielle Anwendungen entwickelt werden können. Verbundwerkstoffe sind ermüdungsbeständig und bieten eine Konstruktions-/Fertigungsflexibilität, durch die die Anzahl der für bestimmte Anwendungen benötigten Teile erheblich reduziert werden kann – was sich in einem Endprodukt niederschlägt, für das weniger Rohmaterial, weniger Verbindungen und Befestigungselemente sowie eine kürzere Montagezeit benötigt werden. Verbundwerkstoffe haben sich auch als widerstandsfähig gegenüber extremen Temperaturen, Korrosion und Verschleiß erwiesen, insbesondere in der Industrie, wo diese Eigenschaften wesentlich zur Senkung der Produktlebenszykluskosten beitragen. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass Verbundwerkstoffe in großem Umfang eingesetzt werden. Das Streben nach Treibstoffersparnis und Effizienz hat beispielsweise dazu geführt, dass der Leichtbau bei fast allen mechanischen Transportmitteln, vom Fahrrad bis zu großen Verkehrsflugzeugen, Priorität hat.
Seit der 787 Dream der Boeing Co, U.S.) 787 Dreamliner – 50 % Verbundwerkstoffanteil und 100 % Verbundwerkstoff an den aerodynamischen Oberflächen – in Produktion gegangen ist und im Dezember 2009 erfolgreich seinen Erstflug absolviert hat, haben Verbundwerkstoffe ihren Weg in primäre und sekundäre Strukturen der Luft- und Raumfahrt gefunden und einen größeren Platz im Flugzeuginneren in der Welt der Luft- und Raumfahrt gefunden. Neben der 787 sind inzwischen auch andere Flugzeuge des Konkurrenten Airbus (Toulouse, Frankreich) und anderer Hersteller von Verkehrsflugzeugen aus Verbundwerkstoffen in den Fokus der Weltöffentlichkeit gerückt. Der erste Airbus A350 XWB, der zu 52 % aus Verbundwerkstoffen besteht, wurde zu Beginn des Jahres 2015 ausgeliefert. Zuvor hatte Airbus bereits seinen Superjumbo-Passagierjet A380 und sein militärisches Transportflugzeug A400M mit Verbundwerkstoffen ausgestattet. Die vier Programme sind die gegenwärtige Erfüllung eines lang erwarteten Wandels, der auch den Markt für Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt erfasst hat und schon seit langem Teil des militärischen Flugzeugbaus ist. Sie sind in immer vielfältigeren Materialformen erhältlich und können mit einer breiten Palette von Guss- und Formgebungsverfahren hergestellt werden – sie haben das Rampenlicht in den Fertigungsarenen auf der ganzen Welt eingenommen oder sind im Begriff, es einzunehmen.
Ein definitiv anderes Material
Verbundwerkstoffe unterscheiden sich von herkömmlichen Werkstoffen dadurch, dass Verbundwerkstoffteile aus zwei deutlich unterschiedlichen Komponenten bestehen – Fasern und einem Matrixmaterial (meist ein Polymerharz) -, die, wenn sie kombiniert werden, diskret bleiben, aber interaktiv funktionieren, um ein neues Material zu bilden, dessen Eigenschaften nicht durch einfache Addition der Eigenschaften seiner Komponenten vorhergesagt werden können. Einer der Hauptvorteile der Faser-Harz-Kombination ist ihr komplementärer Charakter. Dünne Glasfasern zum Beispiel weisen eine relativ hohe Zugfestigkeit auf, sind aber anfällig für Beschädigungen. Im Gegensatz dazu weisen die meisten Polymerharze eine geringe Zugfestigkeit auf, sind aber extrem zäh und verformbar. Kombiniert man jedoch die Fasern und Harze, so gleichen sie die Schwächen des jeweils anderen aus und ergeben ein Material, das weitaus nützlicher ist als jeder seiner einzelnen Bestandteile.
Die strukturellen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen ergeben sich in erster Linie aus der Faserverstärkung. Kommerzielle Verbundwerkstoffe für große Märkte, wie Automobilteile, Boote, Konsumgüter und korrosionsbeständige Industrieteile, werden oft aus diskontinuierlichen, zufällig orientierten Glasfasern oder aus kontinuierlichen, aber nicht orientierten Fasern hergestellt. Hochentwickelte Verbundwerkstoffe, die ursprünglich für den militärischen Luft- und Raumfahrtmarkt entwickelt wurden, sind leistungsfähiger als herkömmliche Strukturmetalle und finden heute Anwendung bei Kommunikationssatelliten, Flugzeugen, Sportartikeln, im Transportwesen, in der Schwerindustrie und im Energiesektor bei der Öl- und Gasexploration und beim Bau von Windkraftanlagen.
Hochleistungs-Verbundwerkstoffe verdanken ihre strukturellen Eigenschaften einer kontinuierlichen, orientierten, hochfesten Faserverstärkung – meist aus Kohlenstoff, Aramid oder Glas – in einer Matrix, die die Verarbeitbarkeit fördert und die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und chemische Beständigkeit verbessert.
Die Ausrichtung der Fasern kann gesteuert werden, ein Faktor, der die Leistung in jeder Anwendung verbessern kann. Bei Golfschlägerschäften aus Verbundwerkstoffen beispielsweise ermöglichen Bor- und Kohlenstofffasern, die in unterschiedlichen Winkeln im Verbundwerkstoffschaft ausgerichtet sind, eine optimale Ausnutzung ihrer Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Drehmomentbelastungen und mehrfachen Biege-, Druck- und Zugkräften.
Eine Matrix kann aus Polymeren, Keramik oder Metall bestehen. Die für Verbundwerkstoffe in kommerziellen und leistungsstarken Luft- und Raumfahrtanwendungen am häufigsten verwendeten Polymermatrizen sind duroplastische Harze, die aus Polymerketten bestehen, die dauerhaft zu einem vernetzten Netzwerk ausgehärtet werden, wenn sie mit einem Katalysator gemischt oder Wärme ausgesetzt werden oder beides. Die Aushärtung erfolgt in der Regel unter erhöhten Temperatur- und/oder Druckbedingungen in einem Ofen und/oder Vakuumbeutel oder in einem Autoklaven. Zu den alternativen, aber weniger verbreiteten Aushärtungstechnologien gehören Elektronenstrahl-, UV-, Röntgen- und Mikrowellenverfahren.
Der andere am häufigsten verwendete Matrixtyp ist das thermoplastische Harz (TP), das sich bei den Herstellern von Verbundwerkstoffen als immer beliebtere Option erweist. Thermoplastische lineare Polymerketten werden gebildet und können durch Schmelzen oder Erweichen und anschließendes Abkühlen des Materials zu geformten Festkörpern umgeformt werden. Thermoplaste, die oft in Form von Platten oder Paneelen verkauft werden, können durch In-situ-Konsolidierungstechniken verarbeitet werden, z. B. durch einfaches Pressen, um zähe, nahezu netzförmige Teile herzustellen, ohne dass die für Duroplaste erforderliche Aushärtung im Autoklaven oder Vakuumbeutel erforderlich ist. Die TP-Reformierbarkeit bietet die Möglichkeit, Anomalien zu korrigieren oder Schäden im Betrieb zu reparieren.
Glasfasern
Die überwiegende Mehrheit aller in der Verbundwerkstoffindustrie verwendeten Fasern ist Glas. Glasfasern sind die älteste und am weitesten verbreitete Verstärkung, die in den meisten Endmarktanwendungen (die Luft- und Raumfahrtindustrie ist eine bedeutende Ausnahme) verwendet wird, um schwerere Metallteile zu ersetzen. Glasfasern wiegen mehr als die zweithäufigste Verstärkung, die Kohlefaser, und sind nicht so steif, aber sie sind schlagfester und haben eine höhere Bruchdehnung (d. h. sie dehnen sich stärker, bevor sie brechen). Je nach Glastyp, Filamentdurchmesser, Beschichtungschemie (als „Schlichte“ bezeichnet) und Faserform kann eine breite Palette von Eigenschaften und Leistungsniveaus erreicht werden.
Glasfilamente werden in Bündeln geliefert, die als Litzen bezeichnet werden. Eine Litze ist eine Ansammlung von kontinuierlichen Glasfäden. Roving bezeichnet im Allgemeinen ein Bündel ungedrehter Stränge, die wie Garn auf einer großen Spule verpackt sind. Einendiger Roving besteht aus Strängen, die aus kontinuierlichen, mehrfachen Glasfilamenten bestehen, die über die gesamte Länge des Strangs verlaufen. Mehrfädiges Roving besteht aus langen, aber nicht ganz durchgehenden Strängen, die während des Spulvorgangs in versetzter Anordnung hinzugefügt oder fallen gelassen werden. Garn ist eine Ansammlung von Strängen, die miteinander verdrillt sind.
Hochleistungsfasern
Zu den Hochleistungsfasern, die in modernen Verbundwerkstoffen verwendet werden, gehören Kohlenstofffasern, Aramidfasern (bekannt unter den Handelsnamen Kevlar und Twaron), Bor-Fasern, Hochmodul-Polyethylen (PE), neuere Fasern wie Poly-p-phenylen-2,6-benzobisoxazol (PBO) und auch Hybridkombinationen. Kevlar ist ein Produkt von DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, US). Twaron-Fasern werden von Teijin (Arnheim, Niederlande) hergestellt.
Kohlenstofffasern – die bei weitem am häufigsten in Hochleistungsanwendungen verwendete Faser – werden aus einer Vielzahl von Vorprodukten hergestellt, darunter Polyacrylnitril (PAN), Rayon und Pech. Die Precursor-Fasern werden chemisch behandelt, erhitzt und verstreckt und anschließend carbonisiert, um die hochfesten Fasern herzustellen. Die ersten Hochleistungs-Carbonfasern auf dem Markt wurden aus Rayon-Precursor hergestellt. Heute haben PAN- und Pech-basierte Fasern die Rayon-basierten Fasern in den meisten Anwendungen ersetzt. PAN-basierte Kohlenstofffasern sind die vielseitigsten und am weitesten verbreiteten. Sie bieten eine erstaunliche Bandbreite an Eigenschaften, darunter eine ausgezeichnete Festigkeit – bis zu 1.000 ksi – und eine hohe Steifigkeit. Pechfasern, die aus Erdöl- oder Kohlenteerpech hergestellt werden, haben eine hohe bis extrem hohe Steifigkeit und einen niedrigen bis negativen axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK). Ihre WAK-Eigenschaften sind besonders nützlich für Anwendungen in der Raumfahrt, die ein Wärmemanagement erfordern, wie z. B. Gehäuse für elektronische Instrumente. Die Eigenschaften von Kohlenstofffasern regen die Suche nach alternativen und kostengünstigeren Ausgangsmaterialien an, wie z. B. Lignin, das aus Zellstoff- und Papierabfällen gewonnen wird. Während die Forschungsbemühungen an Fahrt gewinnen, sind solche kostengünstigen Fasermaterialien noch weit davon entfernt, sich als kommerzielle Verstärkungsmaterialien zu bewähren.
Obwohl sie stärker sind als Glas- oder Aramidfasern, sind Kohlenstofffasern nicht nur weniger stoßfest, sondern können bei Kontakt mit Metall auch galvanisch korrodieren. Die Hersteller überwinden das letztgenannte Problem, indem sie während des Laminataufbaus ein Barrierematerial oder eine Schleierlage – oft Glasfaser/Epoxid – verwenden.
Die grundlegende Faserform für Hochleistungs-Kohlenstofffasern sind Bündel von Endlosfasern, die als Tows bezeichnet werden. Ein Kohlenstofffaserkabel besteht aus Tausenden von kontinuierlichen, ungedrehten Filamenten, wobei die Anzahl der Filamente durch eine Zahl, gefolgt von einem „K“, angegeben wird, was die Multiplikation mit 1.000 bedeutet (z. B. 12K bedeutet eine Filamentanzahl von 12.000). Maschen können direkt in Verfahren wie Filamentwicklung oder Pultrusion verwendet oder in unidirektionale Bänder, Gewebe und andere Verstärkungsformen umgewandelt werden.
Aramidfasern, die aus aromatischem Polyamid hergestellt werden, bieten eine außergewöhnliche Schlagfestigkeit und eine gute Dehnung (höher als Kohlenstoff, aber geringer als Glas). Standard-Hochleistungs-Aramidfasern haben einen Modul von etwa 20 Msi, eine Zugfestigkeit von etwa 500 ksi und eine Dehnung von fast 3 %. Aramidfasern sind für ihre Leistung in kugelsicheren Westen und anderen Panzerungen und ballistischen Anwendungen bekannt und werden zum Teil aufgrund des Bedarfs an Personenschutz und Panzerung im Polizei- und Militärbereich nachgefragt. Die Eigenschaften von Aramid machen die Faser auch zu einer ausgezeichneten Wahl für Hubschrauberrotorblätter, Schiffsrümpfe und Sportartikel, bei denen Stoßfestigkeit gewünscht wird.
Bor-Fasern sind fünfmal so stark und doppelt so steif wie Stahl. Bor sorgt für Festigkeit, Steifigkeit und geringes Gewicht und verfügt über hervorragende Druckeigenschaften und Knickfestigkeit. Die Verwendungsmöglichkeiten für Bor-Verbundwerkstoffe reichen von Sportartikeln wie Angelruten, Golfschlägerschäften, Skiern und Fahrradrahmen bis hin zu so unterschiedlichen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wie Flugzeugleitwerkshäuten, Fachwerkträgern und vorgefertigten Reparaturstellen für Flugzeuge.
Die hohen Kosten von Hochleistungsfasern können von ihrer Auswahl abhalten, wenn die Hersteller nicht prüfen, wie diese hohen Kosten durch die höhere Leistung, Haltbarkeit und Designfreiheit, die diese Materialien für ein Projekt mit sich bringen, gemildert werden, und welche positiven Auswirkungen diese Vorteile auf eine wichtige Kennzahl haben: die Lebenszykluskosten. Dies gilt insbesondere für Kohlenstofffasern, deren Auswahl in der Vergangenheit durch erhebliche Schwankungen bei Angebot und Nachfrage erschwert wurde.
Duroplastische Harze
Die in Verbundwerkstoffen am häufigsten verwendeten Polymere sind Duroplaste, eine Klasse von Kunststoffharzen, die, wenn sie durch thermische und/oder chemische (Katalysator oder Promotor) oder andere Mittel ausgehärtet werden, im Wesentlichen unschmelzbar und unlöslich werden. Nach der Aushärtung kann ein Duroplast nicht mehr in seinen ungehärteten Zustand zurückversetzt werden. Obwohl fast alle Duroplaste, die heute kommerziell genutzt werden, aus Erdölrohstoffen gewonnen werden, wird auf dem wachsenden Gebiet der Bioharze weiter geforscht und kommerzialisiert. Bioharze, die in erster Linie in dem Bestreben entwickelt wurden, erneuerbare landwirtschaftliche Rohstoffe zu verwenden, bestehen in unterschiedlichen Anteilen aus Polyol (aus Sojabohnen) und Ethanol (aus Mais).
Ungesättigte Polyesterharze sind dank ihrer einfachen Handhabung, ihrer ausgewogenen mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften und ihrer relativ niedrigen Kosten die am häufigsten verwendeten Duroplaste in kommerziellen Massenproduktionsanwendungen. (Gesättigte Polyester sind thermoplastische Polymere.) In der Regel mit Glasfaserverstärkungen gekoppelt, passen sich Polyester gut an eine Reihe von Herstellungsverfahren an und werden am häufigsten beim Spritzgießen in offenen Formen, beim Formpressen, beim Resin Transfer Molding (RTM) und beim Gießen verwendet. Die Eigenschaften von Polyesterformulierungen können durch die Auswahl von Glykol- und Säureelementen und reaktiven Monomeren (meist Styrol) so verändert werden, dass sie bestimmte Leistungskriterien erfüllen. Styrol wird in Mengen von bis zu 50 % zugesetzt, um die Viskosität zu verringern und das Harz leichter handhabbar und verarbeitbar zu machen.
Vinylesterharze bieten eine Brücke zwischen kostengünstigeren, schnell härtenden und leicht zu verarbeitenden Polyestern und leistungsfähigeren Epoxidharzen (siehe unten). Ihre Molekularstruktur ist der von Polyester sehr ähnlich, aber sie haben reaktive Stellen nur an den Enden der Molekülketten und weniger Estergruppen. Da Estergruppen anfällig für Hydrolyse sind, erhöht eine geringere Anzahl von Estergruppen die Widerstandsfähigkeit von Vinylestern gegenüber Wasser und chemisch korrosiven Umgebungen, was zum Teil auch ihren höheren Preis erklärt. Vinylester werden bevorzugt in Chemikalientanks und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen Korrosionsbeständigkeit ein wichtiges Ziel ist, und sie sind auch für Strukturlaminate von Vorteil, die ein hohes Maß an Feuchtigkeitsbeständigkeit erfordern (z. B. Bootsrümpfe und -decks). Ihre Verarbeitung und Aushärtung ähnelt der von Polyestern, wobei sie eine verbesserte Zähigkeit bieten können, was jedoch in der Regel eine höhere Temperatur nach der Aushärtung erfordert.
Die gebräuchlichsten Duroplaste für moderne Verbundwerkstoffmatrizen sind Epoxide, Phenole, Cyanatester (CE), Bismaleimide (BMI), Benzoxazine und Polyimide.
Epoxidharze verleihen einem Verbundwerkstoff Festigkeit, Haltbarkeit und chemische Beständigkeit. Sie bieten eine hohe Leistung bei hohen Temperaturen, mit Heiß-/Nassbetriebstemperaturen von bis zu 121°C. Epoxidharze sind in flüssiger, fester und halbfester Form erhältlich und härten normalerweise durch Reaktion mit Aminen oder Anhydriden aus. Epoxidharze werden nicht wie Polyesterharze mit einem Katalysator ausgehärtet, sondern mit einem Härter (auch Aushärtemittel genannt). Der Härter (Teil B) und das Basisharz (Teil A) reagieren in einer „Additionsreaktion“ in einem bestimmten Verhältnis miteinander. Daher ist es entscheidend, das richtige Mischungsverhältnis von Harz und Härter zu verwenden, um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten. Andernfalls wird das Harz weder vollständig aushärten noch seine vollen Eigenschaften erreichen. Gehärtetes Epoxidharz – dem Thermoplaste und reaktive Gummiverbindungen zugesetzt werden, um der Sprödigkeit aufgrund des hohen Vernetzungsgrades entgegenzuwirken – ist bei Flugzeugzellen aus hochprozentigen Verbundwerkstoffen wie dem 787 Dreamliner der Boeing Co. und dem Airbus A350 XWB zur Norm geworden.
Phenolharze basieren auf einer Kombination aus einem aromatischen Alkohol und einem Aldehyd wie Phenol in Verbindung mit Formaldehyd. Sie finden Anwendung in flammfesten Flugzeuginnenverkleidungen und in kommerziellen Märkten, die kostengünstige, flammfeste und raucharme Produkte erfordern. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Verkohlungsleistung und ihrer ablativen (wärmeabsorbierenden) Eigenschaften sind Phenole seit langem ein beliebtes Material für Ablations- und Raketendüsenanwendungen. Sie haben sich auch in Anwendungen außerhalb der Luft- und Raumfahrt bewährt, insbesondere in Komponenten für Offshore-Öl- und -Gasplattformen sowie in Anwendungen des öffentlichen Nahverkehrs und der Elektronik. Phenole polymerisieren jedoch durch eine Kondensationsreaktion, bei der während der Aushärtung Wasserdampf und Formaldehyd freigesetzt werden. Dieses Phänomen kann zu Hohlräumen im Verbundstoff führen. Infolgedessen sind die mechanischen Eigenschaften von Phenolharzen etwas geringer als die von Epoxiden und den meisten anderen Hochleistungsharzen.
Cyanatester (CEs) sind vielseitige Matrices, die eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit bieten, eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme ermöglichen und im Vergleich zu anderen Polymermatrices bessere elektrische Eigenschaften besitzen, obwohl diese Vorteile mit höheren Kosten verbunden sind. CEs sind für Heiß-/Nassbetriebstemperaturen bis 149 °C geeignet und werden in der Regel mit Thermoplasten oder kugelförmigen Gummipartikeln verstärkt. Sie lassen sich ähnlich wie Epoxidharze verarbeiten, aber ihr Aushärtungsprozess ist dank des Viskositätsprofils von CE und der nominellen flüchtigen Bestandteile einfacher. Die derzeitigen Anwendungen reichen von Radomen, Antennen, Raketen und Ablativen bis hin zu Mikroelektronik und Mikrowellenprodukten.
Zu den exotischeren Harzen gehören Bismaleimide und Polyimide (chemisch eng verwandt), die bei Hochtemperaturanwendungen in Flugzeugen und Raketen (z. B. für Komponenten von Triebwerksgondeln) eingesetzt werden. BMI bieten Heiß-/Nassbetriebstemperaturen (bis 232 °C), während einige Polyimide für kurze Zeit bis 371 °C eingesetzt werden können. Flüchtige Bestandteile und Feuchtigkeit, die während der Aushärtung freigesetzt werden, erschweren die Verarbeitung von Polyimiden im Vergleich zu Epoxiden oder CEs; es wurden spezielle Formulierungen und Verarbeitungstechniken entwickelt, um Hohlräume und Delaminationen zu reduzieren oder zu vermeiden. Sowohl BMI als auch Polyimide weisen traditionell eine höhere Feuchtigkeitsaufnahme und geringere Zähigkeitswerte als CE und Epoxide auf. In den letzten Jahren wurden jedoch erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung zäherer Formulierungen erzielt, und BMI wird jetzt eine bessere Beständigkeit gegen das Eindringen von Flüssigkeiten nachgesagt als Epoxiden. Die zunehmende Verwendung von BMI wird nicht nur durch Werkzeuge und Anwendungen vorangetrieben, bei denen die Betriebstemperaturen 177°C überschreiten, sondern auch durch den zunehmenden Einsatz von Verbundwerkstoffen in Strukturen, die bei moderaten Temperaturen, z. B. 80°C bis 120°C, eine verbesserte Heiß/Nass- und Open Hole Compression (OHC)-Leistung erfordern. Dies ist der Grund für einen Großteil der Verwendung im Kampfjet F-35 Lightning II, der schadenstolerante Strukturen bei geringerer Masse im Vergleich zu Epoxid ermöglicht.
Thermoplastische Harze
Im Gegensatz zu vernetzenden Duroplasten, deren Aushärtungsreaktion nicht rückgängig gemacht werden kann, härten Thermoplaste aus, wenn sie abgekühlt werden, behalten aber ihre Plastizität bei, d. h. sie schmelzen wieder auf und können durch Wiedererwärmen über ihre Verarbeitungstemperatur hinaus verformt werden. Weniger teure thermoplastische Matrizen bieten niedrigere Verarbeitungstemperaturen, haben aber auch begrenzte Einsatztemperaturen. Sie stammen aus der Palette der technischen Kunststoffe und der Standardkunststoffe, wie Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA oder Nylon) und Polypropylen (PP). Großvolumige kommerzielle Produkte wie Sportschuhe, Orthesen und medizinische Prothesen profitieren von der Zähigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit dieser Harze, ebenso wie Luftansaugkrümmer und andere Teile unter der Motorhaube von Kraftfahrzeugen.
Hochleistungsthermoplaste – Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketon (PEK), Polyamid-Imid (PAI), Polyarylsulfon (PAS), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS) und Flüssigkristallpolymer (LCP) – funktionieren gut in Hochtemperaturumgebungen und nehmen nach dem Aushärten weder Wasser auf noch zersetzen sie sich bei Feuchtigkeit. Diese mit Hochleistungsfasern verstärkten Harze weisen eine lange Haltbarkeit der Prepregs ohne Kühlung auf und verfügen über außergewöhnliche Stoßfestigkeit und schwingungsdämpfende Eigenschaften. Sie bieten auch die Möglichkeit, recycelte Inhalte zu verwenden und erleichtern das Recycling von Abfällen und ausgedienten Strukturen.
Allerdings können sie die Hersteller von Verbundwerkstoffen wegen ihrer relativ hohen Viskosität vor einige Herausforderungen bei der Verarbeitung stellen. Verstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe mit leistungsfähigeren Harzen als Matrizen sind in der Luft- und Raumfahrt auf dem Vormarsch.
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