Verbundwerkstoffe: Teilchen-, Faser- und Schichtverbunde

Verbundwerkstoffe: Teilchen-, Faser- und Schichtverbunde

 

Die Verbindung zweier oder mehrerer Substanzen zu einem neuen Werkstoff ist an sich nichts Außergewöhnliches, trifft man sie doch in beinahe jeder Werkstoffklasse an. In den meisten Fällen weist die Verbindung jedoch keine wesentlichen strukturellen Unterschiede zu den Ausgangsmaterialien auf. So bezeichnet man die Mischung beziehungsweise Verbindung zweier Metalle als metallische Legierung, diejenige zweier Keramiken als Keramik und die zweier Polymere wieder als Polymer. Der Begriff der Verbund- oder Kompositstoffe aber meint üblicherweise etwas anderes: Verbundstoffe sind Verbindungen zweier oder mehrerer Komponenten, die auch im fertigen Werkstoff noch als Einzelsubstanzen vorhanden sind und unterschieden werden können — obwohl man oft ein Mikroskop benötigt, um die Struktur erkennen zu können.

 

Durch ihre Verbindung entstehen im Idealfall Eigenschaften, welche die Ausgangssubstanzen entweder überhaupt nicht oder nur in viel geringerem Maß besitzen. Verbundmaterialien sind etwa härter, elastischer, temperaturbeständiger und so weiter als ihre Komponenten. Dies ist einer der Gründe, warum in der modernen Technik immer mehr Verbundstoffe eingesetzt werden und die Suche nach neuen Kompositwerkstoffen großen Raum in der aktuellen Werkstoffforschung einnimmt.

 

 Teilchenverbunde

 

Verbindungen aus zahlreichen mehr oder minder großen Teilchen, die von festem Material umgeben sind, bezeichnet man als Teilchenverbunde. Im Gegensatz zu anderen Verbunden liegen ihre Vorteile weniger in der Verfestigung der Werkstoffe als in der Erzeugung neuer Eigenschaften der kombinierten Substanzen, denen wir beispielsweise bei den Keramiken in Form von Cermets begegneten.

 

Weitere Beispiele für derartige Verbunde sind Polymere, in denen anders geartete Partikel eingelagert werden. So wird etwa Gummi mit Ruß versetzt, wodurch Festigkeit, Steifigkeit, Härte und andere Eigenschaften beeinflusst werden können. Viele Polymere lassen sich zu Verbundstoffen mischen, die allerdings von den Copolymeren zu unterscheiden sind. Auch gegossene Metallverbindungen können durch Partikeleinlagerung verbessert werden. Solche Verbunde werden unter anderem zur Herstellung von Kolben und Pleueln für Verbrennungsmotoren verwendet. Da sie im Einsatz hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, müssen sie über einen weiten Temperaturbereich hinweg ihre Festigkeit behalten.

 

 Faserverbunde

 

Anders als bei Teilchenverbunden bestehen Faserverbunde aus einem oft relativ spröden Fasermaterial, wie etwa Glasfasern, das in eine weichere Umgebungssubstanz eingebettet ist. Allgemein bezeichnet man eine solche Substanz, welche die Zusatzstoffe eines Verbundes aufnimmt und umhüllt, als Matrix. Durch die Einlagerung in die Matrix verbessert sich in der Regel die Festigkeit, aber auch die Steifigkeit und die Lebensdauer eines Verbunds gegenüber den Ausgangssubstanzen. Die Fasern nehmen einen großen Teil der auf das Material einwirkenden mechanischen Spannungen auf und entlasten so die Matrix.

 

Faserverbunde sind keine neue Erfindung, sondern als Baustoffe bereits in einfachen Kulturen bekannt. So wird beispielsweise beim Fachwerkbau Lehm mit Strohfasern vermischt, um festere und dauerhafte Häuser bauen zu können. Diese Methode wird von heute in klimatisch geeigneten Regionen wegen der guten Wärmedämmeigenschaften des Lehms gerade wieder entdeckt. Eine andere, modernere Variante ist der Stahlbeton. Armierstäbe aus Stahl, die in Beton eingelagert werden, geben einem Gebäude eine von praktisch allen anderen Baustoffen unerreichte Festigkeit.

 

Fasern werden in die unterschiedlichsten Materialien eingelagert, von Polymeren über Keramiken bis zu Metallen. Auch die Fasern selbst können aus den verschiedenartigsten Materialien bestehen, zum Beispiel Textilien, Polymeren, Keramiken oder Metallen. Dabei erhöht sich die Festigkeit mit zunehmender Länge und gleichzeitig abnehmendem Durchmesser der Fasern. Grund dafür sind Defekte in den Fasern, welche die Festigkeit herabsetzen. Diese Defekte haben ihren Ausgangspunkt zumeist an der Faseroberfläche und breiten sich von dort nach innen aus. Verringert man den Durchmesser der Faser, so verringert sich auch ihre Oberfläche und damit die Anzahl der möglichen Defekte. Durch längere Fasern wird andererseits die Aufnahme von mechanischen Belastungen verbessert.

 

Ein wesentlicher Faktor für die Festigkeit eines Materials ist der Anteil der Fasern im Werkstoff. Ein optimaler Wert kann anhand bestimmter Mischungsregeln aus den Dichten der verwendeten Materialien abgeschätzt werden. Maximal wird man jedoch nicht mehr als 80 Prozent des Werkstoffs aus Fasern aufbauen, da sonst die Fasern nur unvollständig vom Matrixmaterial umschlossen sind. Auch die Orientierung der Fasern im Material hat einen deutlichen Einfluss auf die Festigkeit des Werkstoffs. Wählt man die Orientierung so, dass die Fasern nur in einer Richtung liegen, so besitzt das Material in dieser Richtung zwar eine hohe Festigkeit, in den anderen Richtungen aber nicht. Daher verlegt man die Fasern in Form eines dreidimensionalen Gewebes in das Matrixmaterial. Dabei nutzt man oft gewebte Faserstrukturen, die ähnlich wie bei Stoffen aus unterschiedlichen Gewebearten und Faserlängen bestehen.

 

Die Matrix ist ebenfalls für die Eigenschaften des Verbundstoffs von Bedeutung. Sie muss überall gut an den Fasern anhaften, da sonst die Fasern unter Belastung aus der Matrix herausgezogen werden können oder Brüche in der Matrix leicht zu Brüchen in der Faser und damit des gesamten Verbundstoffs führen.

 

Zudem muss man darauf achten, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien für Matrix und Verbund weitgehend übereinstimmen. Andernfalls treten mechanische Spannungen auf, welche die Haftung von Faser und Matrix beeinträchtigen. Um diesem Effekt vorzubeugen, werden die Fasern mit einem Haftmittel beschichtet, welches die Verbindung zur Matrix sicherstellt. Als solche Haftvermittler werden beispielsweise Silane, bei Kohlenstofffasern auch organische Materialien eingesetzt.

 

Faserverbunde werden in Abhängigkeit von Matrix- und Fasermaterial mit unterschiedlichen Methoden hergestellt. Bilden Kunststoffe die Matrix, in welche die Fasern einzuarbeiten sind, kann man die Fasern zunächst zu Matten verweben. Sie können beispielsweise mit den Rohstoffen des Polymers unter hohem Druck verpresst werden. Dabei steigt die Temperatur, wodurch der Kunststoff schmilzt und die Fasern vollständig umschließt.

 

Bei metallischen Trägermaterialien sind andere Verfahren in Gebrauch. Handelt es sich um Einzelfasern, also nicht um ein Gewebe von verflochtenen Fasern, kann man das geschmolzene Metall beispielsweise an den Fasern vorbeilaufen lassen, die Fasern durch die Schmelze hindurchziehen oder Kapillarkräfte beziehungsweise einen Unterdruck verwenden, um die Schmelze zwischen den Fasern aufsteigen zu lassen. Man kann auch Bänder direkt mit dem Metall in Kontakt bringen und dann unter hohem Druck umformen.

 

Zur Verarbeitung von Bändern und Geweben, etwa im Flugzeugbau oder in der Karosserietechnik, gibt man die Matten zunächst mit Kunstharz (einem Duroplast) oder pulverförmigen Metallen in eine Form und presst sie unter hohem Druck mit einer Art Stempel in die gewünschte Gestalt.

 

Die meisten Faserverbunde können direkt aus der Schmelze gezogen werden, doch eine Reihe von Substanzen, wie zum Beispiel Bor, ist dafür chemisch zu reaktionsfreudig. Man erzeugt Verbunde aus solchen Materialien daher durch Abscheidung aus der Gasphase auf einen geeigneten Faden. Häufig werden auch aus linearen Polymeren hergestellte Kohlenstofffasern eingesetzt. Bei hohen Temperaturen zersetzen sich die Polymere unter anderem zu reinem Kohlenstoff; dadurch können die Eigenschaften des Verbunds, etwa Zugfestigkeit und Elastizität, durch die Herstellungstemperatur beeinflusst werden.

 

Faserverbunde werden in zahlreichen Industriebereichen eingesetzt, etwa im Karosseriebau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und der Motortechnik. Dort werden Metallverbunde nicht nur für die Hüllen von Raketen eingesetzt, sondern auch für die Brennkammern in Triebwerken, wo faserverstärkte Superlegierungen höhere Betriebstemperaturen ermöglichen. In Luft- und Raumfahrt liegen auch die Anwendungsbereiche weiterentwickelter Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus Polymermatrizen, die mit extrem festen Fasern aus Metall, Keramik, Kohle oder sogar Polymeren verstärkt werden. Sie verbinden die Vorteile extrem hoher Zähigkeit und hoher Bruchfestigkeit mit geringem Gewicht und werden daher auch immer mehr für Sportgeräte eingesetzt, so beispielsweise für Sportboote oder für Ski.

 

 Schichtverbunde und Beschichtungen

 

Eine dritte große Gruppe von Verbundstoffen besteht aus miteinander verbundenen Schichten von mehr oder weniger verschiedenen Materialien, wie man sie beispielsweise von Bimetallstreifen oder vom Sperrholz her kennt. Sie dienen oft dazu, den Verschleiß des Trägermaterials herabzusetzen oder sie vor Korrosion zu schützen. Allerdings sind Schichtverbunde auch immer wieder im Bereich der Nanotechnologie anzutreffen, beispielsweise wenn sehr dünne Schichten auf einen Trägerstoff aufgebracht werden oder mikrotechnische Bauteile beschichtet werden sollen.

 

Traditionelle Schichtverbunde werden oft durch Verkleben hergestellt, wobei sowohl zwei als auch mehrere Schichten verarbeitet werden können. Die Bestandteile solcher geklebten Verbundwerkstoffe sind unter anderem Polymere. Hierbei werden Gewebeschichten, Bänder oder Platten aus unterschiedlichsten Substanzen mit den noch unpolymerisierten Ausgangssubstanzen des Kunststoffs zusammengebracht und unter großem Druck und bei hoher Temperatur miteinander verschmolzen. Bei Metallverbunden werden beide Metallschichten unter sehr hohem Druck mittels einer Walze zusammengepresst. Durch den Druck erwärmen sich die Metalle, eventuell vorhandene oberflächennahe Oxidschichten werden zerstört, und die Metallatome können teilweise in die andere Schicht hinein diffundieren und so eine enge und feste Verbindung herstellen. Wenn die Metallteile so groß sind, dass sie mit Walzanlagen nicht mehr bearbeitet werden können, wendet man das Explosivbonden an. Dabei wird das zu verbindende Metall mit einem Explosivstoff bedeckt und durch die Wucht der Detonation gegen das zu beschichtende Metall geschleudert und mit diesem verbunden.

 

Polymerbeschichtungen

 

Polymere als Überzug auf anderen Werkstoffen sind schon seit längerem sehr beliebt, da man mit ihnen Eigenschaften eines Bauteils durch eine neue Oberfläche besonders gut verändern kann, ohne das Bauteil von Grund auf neu zu konstruieren. Schon seit den 1950er-Jahren werden Acrylat-Polymerbeschichtungen zur Versiegelung von Holzfußböden verwendet. Bei ihnen werden die Transparenz und die im Vergleich zu Holz höhere Härte des Acrylats genutzt. Es handelt sich meist um mit Alkohol oder Wasser verdünnbare, einkomponentige Lacksysteme, die abriebfest, elastisch und witterungsbeständig sind und dazu schnell und einfach innen und außen verarbeitet werden können. Auch die Beschichtung der Böden von Ölauffangwannen erfolgt auf diese Weise.

 

Die Entwicklung solcher Schichten führte zu polymeren Netzwerken, in die schon während der Herstellung keramische Partikel integriert werden. Besonders trickreich ist dabei die mittlerweile gelungene »Züchtung« dieser nur nanometergroßen keramischen Teilchen in situ, das heißt hier im Innern des Materials. Eingesetzt werden derartige Kunststoffbeschichtungen in Form hauchdünner transparenter Kratzfestschichten. Sie lassen sich auf beliebige Substrate aufbringen und werden etwa im Kfz-Bau oder in der optischen Industrie eingesetzt.

 

Das Einsatzspektrum ist damit aber keineswegs ausgeschöpft — es lässt sich beispielsweise durch Variieren der Schichtzusammensetzung beliebig erweitern. Lagert man etwa Fluor in die Polymere ein, so erhält man Werkstoffe, an die sich fast keine anderen Substanzen anlagern können: Die zur Verfügung stehende Bindungsenergie an der Oberfläche dieser Schichten ist nämlich so gering, dass eine Bindung — und damit ein Anhaften von Schmutz oder Ruß — energetisch extrem ungünstig ist. Dies ist die Basis von Antihaftbeschichtungen, die auf Produktionsanlagen, als Gleitmittel oder als Wasser abweisende Beschichtungen auf Textilien, Keramiken, Glas, Metallen oder Kunststoffen eingesetzt werden.

 

Keramische Beschichtungen

 

Neben den Polymeren sind auch Keramiken zur Herstellung von Schichtverbunden geeignet. Besonders Maschinenteile, die über lange Zeiten möglichst ohne Ausfälle arbeiten sollen, werden häufig mit einer keramischen Schicht überzogen. Die mechanischen Anforderungen an eine solche Beschichtung sind sehr hoch. Damit sich Bauteil und Keramikbeschichtung im Betrieb nicht voneinander lösen können, müssen zudem beide möglichst gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

 

Sobald für Bauteil und Beschichtung Materialien gefunden sind, die sich bei Erwärmung ähnlich ausdehnen, muss man sich dem Problem widmen, die Keramik mit dem Bauteil zu verbinden. Das Auftragen von keramischen Pulvern auf einen Träger erfordert eine Sinterung, die bei hohen Temperaturen durchgeführt werden muss. Die meisten Substrate überstehen diesen Prozess nicht, da sie die zum Sintern notwendigen Temperaturen von über 1400 Grad Celsius nicht aushalten. Daher setzt man Herstellungsverfahren ein, bei denen die Hitze nur in den Beschichtungswerkstoff fließt, etwa Flamm- oder Plasmaspritzen, Laserhärtung oder Elektrodenstrahlhärtung. Als Alternative bieten sich Werkstoffe an, die schon bei niedrigen Temperaturen sintern. Es werden dann jedoch nicht so hohe Dichten und gute mechanischen Eigenschaften erreicht.

 

Bauteile, die keramische Schichten enthalten, verfügen über eine ganze Reihe von interessanten Eigenschaften. So werden die relativ leicht verschleißenden Zahnflanken von metallischen Zahnrädern mit Beschichtungen aus flammgespritztem Titannitrid versehen, welche die Lebensdauer im Vergleich zu nicht beschichteten, rein metallischen Bauteilen deutlich heraufsetzen. Weitere Beispiele für keramische Schichtverbunde sind Ionen leitende Zirconiumdioxid-Schichten auf keramischen Trägern für Brennstoffzellen, Wärme dämmende Schichten aus Zirconiumdioxid für die Metallwalzen der Papierindustrie oder Isolatorschichten zum Bau von integrierten Schaltkreisen. Sehr oft werden keramische Schichten auch als Korrosionsschutz, etwa für Aluminium, eingesetzt. Die Breite der Anwendungspalette scheint schier unübersehbar zu sein. In vielen Dingen des täglichen Bedarfs finden sich keramische Schichten wieder, und wenn es nur die Stahlkugel eines Kugelschreibers ist, die durch eine hauchdünne keramische Beschichtung aus Titannitrid widerstandsfähiger gegen Papierabrieb gemacht wurde.

 

Die schützenden Eigenschaften von Keramikschichten können in katalytischen Schichten noch verstärkt werden. Ihnen wird von außen Energie auf chemischem oder thermischem Weg oder durch Ultraviolettstrahlung zugeführt, woraufhin die Schichten chemische Reaktionen auslösen oder beschleunigen können. Man nutzt dies beispielsweise auf dem Gebiet der Luftreinhaltung, um die Zersetzung unerwünschter Stoffe zu verbessern. So sind Titanoxid-Schichtsysteme in der Lage, anhaftende organische Verbindungen wie Fette oder Öle zu zersetzen, wenn sie mit kurzwelligem Licht bestrahlt wurden. Diese Eigenschaft wird durch eine chemische Veränderung in der Struktur der Schichtoberfläche bewirkt, die infolge der Ultravioletteinstrahlung einsetzt. Dabei entstehen oder verschwinden reaktive Komponenten, die den Abbau der anhaftenden Substanzen bewirken. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Photokatalyse. Ähnliche Techniken werden in vielen Bereichen der chemischen Industrie eingesetzt. Praktische Anwendungen von photokatalytischen Schichten sind selbstreinigende Oberflächen für Hausfassaden oder Reinigungsanlagen für Abwässer und Luft.

 

 Sandwichstrukturen

 

Eine spezielle Art von Schichtverbunden bilden die Sandwichstrukturen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist Wellpappe. Diese Stoffe vereinigen geringes Gewicht mit hoher Festigkeit und werden daher unter anderem als Wandmaterial im Flugzeugbau verwendet. Eine Sandwichstruktur besteht aus einer leichten Kern- oder Füllschicht, die von zwei Kraft aufnehmenden Deckschichten umschlossen wird. Die Füllstoffe, etwa Glasfasern oder Polymerschäume, verleihen den Sandwichstrukturen zudem gute Schall und Wärme dämmende Eigenschaften. Als Deckschichten werden beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe, Metall oder Holz verwendet.

 

Die Herstellung der verschiedenen Typen von Sandwichstrukturen ist von der Art der Materialien abhängig. Man erzeugt beispielsweise rein metallische Sandwichstrukturen, indem man eine metallische Platte als Kern in einer Faltrolle zu einer gerippten Platte walzt, die dabei eine wabenartige Struktur erhält. Diese wird zusammen mit Klebfolien mit den Deckschichten verbunden. Obwohl metallische Sandwichstrukturen daher oft nur aus verklebtem Material bestehen, besitzen sie in zwei Richtungen hohe Festigkeit und lassen sich nur schwer stauchen. Scherungen etwa, die parallel zur Deckschicht erfolgen, werden von der Wabenstruktur aufgefangen, während Deckschicht und Waben große Stöße senkrecht zur Deckschicht abfangen.

 

Auf der Suche nach Einsparmöglichkeiten ohne Einbußen bei den technischen Eigenschaften haben besonders Luftfahrt- und Autoindustrie nach neuen und kostengünstigeren Wegen gesucht, um Sandwichstrukturen von hoher mechanischer Stabilität herzustellen. Dabei entwickelt man Strukturen, die mit Aluminiumschaum gefüllt sind. Ein solcher Schaum entsteht, indem eine Mischung aus Aluminiumpulver und einem Treibmittel unter hohem Druck zwischen die Deckschichten gepresst wird. Während dieses Vorgangs schmilzt das Aluminium, und das Treibmittel wird freigesetzt. Dadurch wird das geschmolzene Aluminium aufgeschäumt und gegen die ebenfalls aus Aluminium bestehende Deckschicht gepresst. Das poröse Aluminium besitzt eine dreidimensionale Wabenstruktur, die fest mit den Deckschichten verbunden ist. Neben dem geringen Gewicht — die Struktur ist zehnmal leichter als bei Stahl — und ihrer hohen Stabilität besitzt solch eine Schicht auch den Vorteil, die großen Energien, die bei Kollisionen auftreten, auffangen zu können. Allerdings muss diese Eigenschaft noch in entsprechenden Versuchsreihen getestet werden.

 

Dr. Gunnar Radons

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Nanowerkstoffe: Atomare Dimension - ungewöhnliche Eigenschaften

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Werkstoffe: Polymere

 

Literatur:

 

Berthelot, Jean-Marie: Composite materials. Mechanical behavior and structural analysis. Aus dem Französischen. New York u. a. 1999.

 Flemming, Manfred u. a.: Faserverbundbauweisen. Fertigungsverfahren mit duroplastischer Matrix. Berlin u. a. 1999.

 

Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe. Gefüge, Eigenschaften, Bearbeitung, Anwendungen, herausgegeben von Hans Berns. Berlin u. a. 1998.

 Menz, Wolfgang / Mohr, Jürgen: Mikrosystemtechnik für Ingenieure. Weinheim u. a. ²1997.