Verbundwerkstoff
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Ein Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien. Der Verbundwerkstoff besitzt andere Werkstoffeigenschaften als seine einzelnen Komponenten. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Insbesondere spielen oft Größeneffekte eine Rolle. Die Verbindung erfolgt durch Stoff- oder Formschluss oder eine Kombination von beidem. Bei Verpackungen wird daneben der Begriff Verbundstoff für zu diesem Zweck hergestellte Materialien verwendet.
Nach der Geometrie des Verbunds unterscheidet man:
- Teilchenverbundwerkstoffe, auch als Dispersionswerkstoffe bezeichnet,
- Faserverbundwerkstoffe,
- Schichtverbundwerkstoffe, auch als Laminate bezeichnet,
- Durchdringungsverbundwerkstoffe.
Die Komponenten eines Verbundwerkstoffs können dabei selbst wieder Verbundwerkstoffe sein. Bei Teilchen- und Faserverbundwerkstoffen sind Teilchen bzw. Fasern in eine andere Komponente des Verbundwerkstoffes, der so genannten Matrix eingebettet. In Faserverbundwerkstoffen können die Fasern in einer oder mehreren bestimmten Richtungen verlaufen bzw. Vorzugsrichtungen haben. Faserverbundwerkstoffe können schichtweise hergestellt werden, sind dadurch aber noch keine Schichtverbundwerkstoffe, wenn die aufeinanderfolgenden Schichten gleichartig sind. Der Begriff Laminat wird hier allerdings auch verwendet. Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus aufeinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Anzahl. Der Spezialfall von drei Schichten, davon zwei identische Außenschichten, wird auch als Sandwichverbund bezeichnet. Bei Durchdringungsverbundwerkstoffen bilden die einzelnen Komponenten für sich jeweils zusammenhängende offenporige Materialien. Sie werden zum Beispiel durch Tränken eines offenporigen gesinterten Werkstoffs (zum Beispiel einer Schaumkeramik) mit einem geschmolzenen zweiten Stoff hergestellt.
Aus der stofflichen Einteilung der Werkstoffe in polymere (Kunststoffe), metallische, keramische und organische Werkstoffe ergeben sich die grundsätzlichen Kombinationsmöglichkeiten für Verbundwerkstoffe. Dabei wird anwendungsspezifisch versucht, die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und die Nachteile auszuschließen.
| Verbundwerkstoff | Teilchen | Matrix |
|---|---|---|
| Schleifscheiben | keramisch | polymer/glas |
| Hartmetall | keramisch | metallisch |
| Keramikverbunde | keramisch | keramisch |
| Spanplatten | organisch | polymer |
| Beton | keramisch (mineralisch) | keramisch (mineralisch) |
| Polymerbeton | mineralisch | polymer |
Beispiele für Faserverbundwerkstoffe:
- glasfaserverstärktes Glas,
- Metallmatrix-Verbunde (MMC), z. B. borfaserverstärktes Aluminium,
- Faserzement (z. B. „Eternit“),
- kohlefaserverstärktes Siliciumcarbid (z. B. in Hochleistungsbremsscheiben)
- eigenverstärkte Thermoplaste (Kunststofffasern in Kunststoffmatrix der gleichen Zusammensetzung)
- Stahlbeton,
- Faserbeton,
- Faser-Kunststoff-Verbunde
- Faser-Keramik-Verbunde (Ceramic Matrix Composites (CMC))
Beispiele für Schichtverbundwerkstoffe:
- Verbundplatten (z. B. Sperrholz)
- Verbundrohre
- TiGr-Composit: Ein Werkstoff aus Titan, Kohlenstofffasern und Epoxidharz
- Glasfaserverstärktes Aluminium: Ein Werkstoff auf glasfaserverstärktem Kunststoff und Aluminium
- Honeycomb
- Bimetall
- Hylite, eine Sandwich-Struktur aus einer Kunststoffplatte, die zwischen zwei Aluminiumplatten/-folien eingebettet ist.
