Table Of ContentManfred Flemming . Gerhard Ziegmann
Siegfried Roth
Faserverbundbauweisen
Fasern und Matrices
Mit 200 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heide1berg GmbH
Professor Dr. Manfred Flemming
ETH Zurich
Institut fUr Konstruktion und Bauweisen
Tannenstrasse 3
CH -8092 Zilrich
Dr. Gerhard Ziegmann
ETH Zilrich
Institut fUr Konstruktion und Bauweisen
Bauweisenlabor
Wagistrasse 13/18
CH -8052 Schlieren
Dipl.-Ing. FH Siegfried Roth
Tobelstra8e 17
D - 88682 Salem
ISBN 978-3-642-63352-2 ISBN 978-3-642-57776-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-57776-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
Ursprilnglich erschienen bei Springer-V erlag Berlin Heidelberg New York 1995
Softcover reprint ofthe hardcover lst edition 1995
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SPIN: 10126793 62/3020 -5 43210 - Gedruckt aufsaurefreiem Papier
Dieses B uch widmen wir unseren
geduldigen Frauen
Christa
Gabriele
Elisabeth
Vorwort
Dieses Buch ist aus der Uberzeugung entstanden, daB die Faserverbundwerk
stoffe einer groBen Zukunft entgegensehen. Absehbar entwickeln sich zuktinftige
Werkstoffe zu komplizierten Stoffsystemen mit mehreren Funktionen.
Der Umgang solcher Systeme verlangt ein tiefes Verstandnis der Stoff
komponenten und des Gesamten. Deshalb werden die derzeit und zuktinftig ver
wendeten Fasern und Matrixsysteme naher beschrieben. Dabei wird versucht
verstarkt auf Probleme einzugehen, die das Verhalten dieser Werkstoffe
wesentlich mitbestimmen.
Der Bereich der Verstiirkungsfasern umfaBt neben den Glas-, Kohlenstoff- und
Aramidfasern auch polymere Fasersysteme, denen eine groBe Zukunft fUr
Hybridanwendungen in belasteten Strukturen nachgesagt wird. Zusatzlich werden
heute bekannte Naturfasern besprochen sowie deren Potential diskutiert und mit
bekannten Synthesefasern verglichen.
SchlieBlich seien noch exotische Keramikfasern erwahnt, die bei Hochtempera
turanwendungen - zusammen mit entsprechenden Matrices - verstiirkt Eingang
finden.
Die Beschreibung der Matrices beinhaltet schwerpunktmaBig die polymeren
Systeme, die den tiberwiegenden Anteil in der Anwendung ausmachen. Neben
Polyester- und Epoxidharzen werden Hochtemperatursysteme wie Polyimide und
Bismaleinimide diskutiert sowie die bekannten Phenolharze erfaBt.
Selbstverstiindlich umfaBt das Buch die immer bedeutender werdenden thermo
plastischen Polymere, die das Einsatzspektrum und die Bauweisentechnologie ftir
Faserverbunde betrachtlich erweitern k6nnen.
Auch die heute exotischen Randbereiche der keramischen und metallischen
Matrixysteme werden betrachtet, urn dem Leser einen gesamthaften fundierten
Uberblick tiber die Werkstoffe in der Faserverbundtechnologie zu prasentieren.
Dieses Buch wird in Ktirze erganzt durch weitere Werke, die vor aHem die
Bauweisen und die Fertigungstechniken enthalten. Ein weiterer Schwerpunkt
wird sich mit der DarsteHung und Diskussion der mechanisch/physikalischen
Eigen-schaften befassen.
Die Autoren sind seit vielen Jahren an vorderster Front im Bereich der
Faserverbundwerkstoffe tatig, in Industrie und Hochschule. Das vorhandene
fundierte Wissen ist in diesem Buch umgesetzt. Es dient sowohl als Lehr- als
auch als Nachschlagewerk fUr das stetig wachsende Gebiet der Faserverbund
bauweisen.
Unser Dank gilt insbesondere unseren Mitarbeitern Frau G6tz, Herrn Hinter
mann, Herrn Arias und Herrn Christen sowie deren Hilfsassistenten, die ganz
wesentlich am Entstehen dieses Buches beteiligt waren.
ZUrich/Schlieren, im Friihjahr 1995 M. Flemming
S. Roth
G. Ziegmann
Inhaltsverzeichnis
1. Einf"lihrung ........................................................................ 1
2. Faserarten .......... ............................ ................................... 6
2.1 KohlenstotTasern ............................................................... 6
2.1.1 Kohlenstoffasem aus PAN.................................................. 9
2.1.2 Kohlenstoffasem aus Pech ................................................. 18
2.1.3 Zusammenfassung .............................................................. 30
2.2 Keramikfasern ................................................. ................. 32
2.2.1 Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Wolfram .......... 33
2.2.2 Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff ...... 37
2.2.3 Kemlose Siliziumkarbidfasem ........................................... 39
2.2.4 Aluminiumoxidfaser ........................................................... 43
2.2.5 Sonstige keramische Fasem ............................................... 47
2.2.5.1 Quarzglasfasem ............................................................... ~.. 47
2.2.5.2 Weitere Oxidfasem ............................................................ 48
2.2.5.3 Borkarbidfasem .................................................................. 49
2.2.5.4 Siliziumkarbid-Nitridfasem ................................................ 49
2.2.5.5 Bomitridfasern ............ ..... ................................................... 49
2.3 Glasfasern .......................................................................... 51
2.3.1 Struktur der Glasfasem ....................................................... 52
2.3.2 Herstellung der Glasfasem .......... ....................................... 54
2.3.3 Glasarten .............................. ... ............................................ 57
2.3.4 Eigenschaften der Glasfasem ...................... ....................... 58
2.3.5 Oberflachenbehandlung der Glasfasem .............................. 64
2.4 Synthesefasem ................................................................... 67
2.4.1 Aramidfasern ................. ......................... ........... ................. 73
2.4.2 Polyethylenfasem ............................................................... 100
2.4.3 Technische thermoplastische Fasem .................................. 109
2.4.3.1 Polyamidfasem (Nylon 6) ................................................... 111
2.4.3.2 Polyesterfasern .................................................................... 113
2.4.3.3 Polyethylenfasem ............................................................... 115
2.4.3.4 Polyetheretherketonfasem (PEEK) ................................... 115
2.4.3.5 Fliissigkristalline Polyesterfasem ....................................... 116
2.5 Borfasem ........................................................................... 119
2.5.1 Borfasem mit Kemfaden aus Wolfram .............................. 122
2.5.2 Borfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff .......................... 128
2.5.3 Modifizierte Borfasem ........................................................ 129
2.5.4 Zusammenfassung .............................................................. 130
2.6 Hohlfasern ......................................................................... 132
2.6.1 Hohlglasfasem .................................................................... 135
2.6.2 Hohlkohlenstoffasem .......................................................... 139
2.6.3 Hohle Zellulose-und Polymerfasem .................................. 144
VIII Inhaltsverzeichnis
2.7. Hochgeordnete Polymerfasern ........................................ 145
2.7.1 Herstellung der Polymere und der Fasem .......................... 146
2.7.2 Struktur und Morphologie der Fasem ................................. 148
2.7.3 Eigenschaften der hochgeordneten Polymerfasem ............. 150
2.8 Naturfasern ....................................................................... 155
2.8.1 Autbau der Pflanzenfasem ................................................. 158
2.8.2 Beschreibung der wichtigsten Faserpflanzen und der
Verfahren zur Fasergewinnung ........................................... 160
2.8.2.1 Flachsfasem ........................................................................ 160
2.8.2.3 Sisalfasern ........................................................................... 166
2.8.2.2 Zusammenfassung .............................................................. 167
2.8.3 Faser- und Faseroberflachenbehandlungen zur Verbesse
rung der Fasereigenschaften und der Haftung zwischen
Faser und Harz ............................................................ ........ 169
2.8.3.1 Behandlung der Fasem und der Faseroberflache durch
Acetylierungssysteme ......................................................... 169
2.8.3.2 Behandlung der Faseroberflache durch Beschichtung ... .... 173
2.8.3.3 MaBnahmen zur Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung
von naturfaserverstarkten Thermoplasten ........................... 174
3. Matrixsysteme ................................................................... 180
3.1 Polymere Matrixsysteme .................................................. 181
3.1.1 Duroplastische Matrixsysteme ............................................ 185
3.1.1.1 Ungesattigte Polyesterharze (UP) ...................................... 186
3.1.1.2 Vinylesterharze (VE) .......................................................... 198
3.1.1.3 Epoxidharze (EP) ..................... ........................................... 199
3.1.1.4 Poly imide (PI) und andere hochtemperaturbestandige
Duroplaste ........................................................................... 225
3.1.1.5 Phenolharze (PF) ................................................................ 237
3.1.2 Faserverstarkte Thermoplaste .................................... ......... 242
3.1.2.1 Polypropylen -PP ............................................................... 244
3.1.2.2 Polyamid (PA) .................................................................... 246
3.1.2.3 Polyethylenterephthalat (PET) ............................................ 251
3.1.2.4 Poly sulfone und -sulfid ..................................................... 253
3.1.2.5 Polyetherimid (PEl) ............................................................ 257
3.1.2.6 Polyaryletherketone (PAEK) .............................................. 258
3.1.3 Zusammenfassung .............................................................. 262
3.2 Sonstige Matrixsysteme .................................................... 264
3.2.1 Metallische Matrixsysteme .... ....... ............ ..... ....... ...... ........ 264
3.2.2 Faserverstarkte Keramiken ............ ..... ....... ......................... 268
3.2.3 Kohlenstoffaserverstarkter Kohlenstoff (C/C-(Carbonl
Carbon)) .............................................................................. 273
Literaturverzeichnis ...... ....... ..... ....... ..... .................. ......... 278
Sachwortverzeichnis ................................................. ........ 293
Abkiirzungen ..................................................................... 308
1. Einfiihrung
Unsere Gesellsehaft, unsere Wirtsehaft und Industrie werden aus teehniseher Sieht
zunehmend von folgenden Teehnologiesaulen bestimmt [1.1]:
Elektronik
Kommunikation
Gentechnologie
Werkstoffe
Die Saule "Werkstoffe" ist dabei die einzige mit langer Tradition. Nieht umsonst
wurden ganze Epoehen wie Stein-, Eisen- und Bronzezeit nach Werkstoffen
benannt. Diese Reihe setzte sieh fort mit Stahl und Aluminium, die bis heute
bedeutende Industriekerne bilden.
Wie Abb. 1.1 zeigt, durehlaufen Teehnologien wahrend ihren Lebenszyklen
mehrere Phasen. Es ist leicht naehvollziehbar, daB etablierte Werkstoffe, Produkte
und Systeme in der Reifephase der S-formigen Waehstumskurve liegen. Ohne
Zufiihrung von Zukunftstechnologien werden diese Werkstoffe und deren
Produkte auslaufen oder sieh in Billigiander verlagern. Ein typisches Beispiel
hierzu ist der Billigstahl. In Industriestaaten produzierter Billigstahl ist in der
Regel am Markt nieht mehr absetzbar. Er wird, wie hinreiehend bekannt,
subventioniert. Davon ausgenommen sind Spezialstahle, also Legierungen, deren
HerstelIung ein betrachtliehes Know-how erfordern. Dies gilt im Prinzip aueh filr
Aluminium. Solche Spezialitaten verbessern die Produkte und verlangern damit
deren Lebenszyklus, Abb. 1.2. Schrittmaeherteehnologien konnen die Reifephase
deutlieh verlangern. Zur Zukunftsvorsorge milssen diese Sehrittmaeherteehno-
Rcifcgrad
Technologie
anwendung
Ba i technologicn
(am Markt frei verfUgbar)
Technologie
entwicklung
SchlUs eltechnologien
(nicht frei am Markt kaufbar)
Forschung Schrillmachertechnologien (for chung orientiert)
'J:--=. .....~ --r-------r-----r-----.~~ Zeit
Wachstums
phasc
Abb. 1.1. Teehnologien als Funktion ihrer Position auf der Lebenszykluskurve
[1.\ ]
2 1. Einftihrung
__- ----- C -Produkt-
- vcrbesserung
B -Produktverbesscrung I
_-. Kostcnoptimicrung
••• A -Produktauslnuf_
Neue Produkte aus
Zukunftste•chn ologien
Kemgeschafte von
morgen?
Zeit
Schrillmachenechnologien sind Bindeglied zwi chen heutigen und morgigen Ge chanen:
=> tiltzung heutiger Produktc durch wir chaftlichere Produktion (z.B. Kilnst!. Intelligenz)
=> ucleu fUr neue, d.h. zukilnftige Geschafte
=> Forcierung gcschaftsfeldilbergrcifender Schriltmachenechnologien
Abb. 1.2. Auswirkung von Zukunftstechnologien auf Produktzyklen (generell)
[1.1]
logien zeitIich, d.h. vor der Sattigung der Kurve B in Abb. 1.2 in den ProzeB
eingespeist werden, sie sind also Bindeglied zwischen heutigen und morgigen
Geschaften. Moderne Werkstoffe haben wirtschaftlich eine groBe Bedeutung.
Nach [1.2] stimulieren neue Materialien das Wachstum in vielen Bereichen der
Wirtschaft. Letztlich ist es sogar so, daB der Fortschritt in der Werkstoffkunde die
Wachstumsgeschwindigkeit von Schltisselsektoren der Wirtschaft bestimmt.
Die herausragende Bedeutung der Werkstoffe fUr die Geschiiftsfelder Luftfahrt,
Raumfahrt, Verteidigungstechnik und Antriebe der Daimler-Benz Aerospace AG
(DASA) zeigt Abb. l.3 aus [1.1]. Das Technologiefeld:
WerkstoffelBauweisen -Flexible FertigungiFertigungsverfahren
ist als einziges in allen DASA-Geschaftsfeldern vertreten.
Werkstoffe bestimmen also maBgeblich unsere Zukunft.
Es ist festzustellen, daB sich im Laufe der Zeit die Materialindustrie der Luft
und Raumfahrt mehr und mehr von traditionellen monolithischen Werkstoffen
wie Aluminium, Titan u.a. weg und zu den Verbundwerkstoffen hin entwickelt.
Dieser ProzeB ist nicht abgeschlossen und wird noch Jahre andauern [1.3]. Ziel
dieser Verbundwerkstoffe ist es, daB man aus wenigsten zwei unterschiedlichen
Stoffen als Summenwirkung Verbundeigenschaften erzielt , die mit den einzelnen
Komponenten alleine nicht erreicht werden [2.5]. Die erste Generation solcher
Werkstoffe liegt bereits hinter uns.
1. Einfiihrung 3
Schlilsscllcchnologicfelder Anwendungsbr GB-L GB-R GB-V GB-A
Mikro & Oploelcktronik 0
PhOIOnik 0
Hochempfindliche Radarsysleme 0 3 7
Hochleistungsrechner 0
Signatur-Erkennung 0 6
Daten & Bildverarbcitung 0 2 7
Energieumwandlung/A ufbcreitung 0 3
Supraleitung 0
Li fe Science 0 I
Luftatmende Antriebc x 2 j
Augphysikl Aerolhermodynamik x ~ I
Augsystemi!lAvionik x _ l2_ I I
Hochencrgieimpulslcchnik
Waffcnsyslemumgebung
x
Obcrschall-Projektile und Antricbc j
Materialien mit hohcr Encrgiedichlc I
WerksloffelBauweisen
0 9 II 4 3
Aexibl. FertigungIFenigungsvcrfahre
Simulation und Modellierung
Passi ve Scn oren
0 6 6 I
Kilnstl. Inlclligcnl. und Robolik
Software-Enlwicklung/-Engineering
Abb. 1.3. Verteilung und Haufigkeit der DASA-Schliisseltechnologien pro
Geschaftsfeld bezogen auf SchliisseItechnologiefelder. GB-L Geschaftsbereich
Luftfahrt, GB-R Geschaftsbereich Raumfahrt, G B -V Geschaftsbereich Ver
teidigungstechnik, GB-A Geschaftsbereich Antriebe [1.1]
Gias-, aramid- und kohlenstoffaserverstarkte Kunststoffe sind in der Luftfahrt,
Raumfahrt und Verteidigungstechnik langst etabliert, aber auch in den Branchen
auBerhalb dieser Geschaftsfelder. Momentan erleben wir bereits die 2. Generation
von Verbundwerkstoffen, unter Verwendung besserer Verstarkungsfasern und
Matrices. Die treibende Kraft hinter dieser Entwicklung ist der Wunsch der
Industrie ihre Produkte noch we iter zu verbessern. Fiir die Luft- und Raumfahrt
bedeutet dies letztlich schneller, hoher weiter, leichter. Dieses Ziel kann mit
neuen wirkungsvolleren Werkstoffen erreicht werden. Eine Schliisselrolle spielen
dabei die hochtemperaturfesten Verbundwerkstoffe zur Verbesserung der
Triebwerke sowie der Strukturen von Hyperschalljlugzeugen.
Der rasante Fortschritt auf dem Materialsektor ist durch das immer tiefere
Verstandnis der N atur der Werkstoffe begriindet. So zeigte sich nach [1.4], daB
Werkstoffe eine Art innere Architektur aufweisen - eine Hierarchie aufeinander
aufbauenden Strukturebenen. Dadurch lassen sich die Unterschiede der
Eigenschaften von verschiedenen Werkstoffen erklaren und umgekehrt kann das
VerhaIten eines Werkstoffes durch die genaue Untersuchung seiner inneren
Struktur vorhergesagt werden.
SoIche Untersuchungen sind insbesondere durch eine Reihe neuer Gerate und
Techniken wie z.B. die Elektronenmikroskopie erst moglich geworden. Die damit
