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Faser-Kunststoff-Verbund

Ein Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer polymeren Kunststoffmatrix. Die Matrix umgiebt die Fasern, die durch Adhasivkräfte an die Matrix angebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen, haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsgesetz.
Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff.
Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeignete Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.
Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können z.B. der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge usw. variiert werden.
Faser-Kunstsoff-Verbunde gehören zu der Klasse der faserverstärkten Werkstoffe (Faserverbunde).
Funktionsprinzip
Ein Faserkunststoffverbund kann als Konstruktion aufgefasst werden. Seine Elemente müssen so kombiniert werden, daß sich die gewünschten Eigenschaften einstellen. Durch das Zusammenspiel der spezifischen Eigenschaften von Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Werkstoff.
Aufgabenteilung
Die Fasern leiten die Kräfte. Durch ihre, im Vergleich zur Matrix, hohen Steifigkeit ziehen sie die Lasten auf sich. Da die Faser eine höhere Festigkeit als die Matrix hat, sollten die Lasten entlang der Fasern geleitet werden. Quer zur Faser haben Matrix und Faser oft ähnliche Elastizitätsmoduln. Zusätzlich müssen die Kräfte durch Adhasivkräfte über die Faser-Matrix-Grenzfläche geleitet werden. Daher findet quer zur Faser in der Regel keine Verstärkungswirkung statt. Grund hierfür ist auch die Dehnungsvergrößerung.
Die Matrix bettet die Fasern. Betten meint dabei, daß sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, z.B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

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