Was ist die Definition eines Verbundmaterials?

Ein Verbundwerkstoff ist eine Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien, die zu einem überlegenen (oft festeren) Produkt führt. Die Menschen haben seit Tausenden von Jahren Verbundwerkstoffe hergestellt, um alles zu bauen, von einfachen Unterkünften bis hin zu ausgefeilten elektronischen Geräten. Während die ersten Komposite aus natürlichen Materialien wie Schlamm und Stroh hergestellt wurden, werden die heutigen Komposite in einem Labor aus synthetischen Substanzen hergestellt. Unabhängig von ihrer Herkunft haben Verbundwerkstoffe das Leben möglich gemacht, wie wir es kennen.

Eine kurze Geschichte

Archäologen sagen, dass Menschen seit mindestens 5.000 bis 6.000 Jahren Verbundwerkstoffe verwenden. Im alten Ägypten wurden Ziegel aus Lehm und Stroh hergestellt, um Holzkonstruktionen wie Festungen und Denkmäler einzuschließen und zu verstärken. In Teilen Asiens, Europas, Afrikas und Amerikas bauen indigene Kulturen Strukturen aus Flechten (Brettern oder Holzstreifen) und Flecken (einem Komposit aus Schlamm oder Lehm, Stroh, Kies, Kalk, Heu und anderen Substanzen) auf..

Eine andere Hochkultur, die Mongolen, waren ebenfalls Pioniere bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen. Ab dem Jahr 1200 bauten sie verstärkte Bögen aus Holz, Knochen und natürlichem Klebstoff, die mit Birkenrinde umwickelt waren. Diese waren viel stärker und präziser als einfache Holzbögen und halfen Dschingis Khans mongolischem Reich, sich in Asien auszubreiten.

Die moderne Ära der Verbundwerkstoffe begann im 20. Jahrhundert mit der Erfindung früher Kunststoffe wie Bakelit und Vinyl sowie Holzwerkstoffe wie Sperrholz. Ein weiterer entscheidender Verbundwerkstoff, Fiberglas, wurde 1935 erfunden. Er war weitaus stärker als frühere Verbundwerkstoffe, konnte geformt und geformt werden und war extrem leicht und langlebig. 

Der Zweite Weltkrieg beschleunigte die Erfindung von noch mehr Verbundwerkstoffen auf Erdölbasis, von denen viele noch heute verwendet werden, einschließlich Polyester. In den 1960er Jahren wurden noch anspruchsvollere Verbundwerkstoffe wie Kevlar und Kohlefaser eingeführt. 

Moderne Verbundwerkstoffe

Heutzutage hat sich die Verwendung von Verbundwerkstoffen dahingehend entwickelt, üblicherweise eine Strukturfaser und einen Kunststoff einzubauen, was als faserverstärkte Kunststoffe oder kurz FRP bezeichnet wird. Wie Stroh liefert die Faser die Struktur und Festigkeit des Verbundwerkstoffs, während ein Kunststoffpolymer die Faser zusammenhält. Gängige Fasertypen, die in GFK-Verbundwerkstoffen verwendet werden, umfassen:

• Fiberglas
• Kohlefaser
• Aramidfaser
• Borfaser
• Basaltfaser
• Naturfasern (Holz, Flachs, Hanf usw.)

Bei Glasfasern werden Hunderttausende winziger Glasfasern zusammengefügt und durch ein Kunststoffpolymerharz starr an Ort und Stelle gehalten. Übliche Kunststoffharze, die in Verbundwerkstoffen verwendet werden, umfassen:

• Epoxy
• Vinylester
• Polyester
• Polyurethan
• Polypropylen

Gemeinsame Verwendungen und Vorteile

Das häufigste Beispiel für einen Verbund ist Beton. Bei dieser Verwendung verleiht Baustahlbewehrung dem Beton Festigkeit und Steifheit, während der ausgehärtete Zement die Bewehrung stationär hält. Bewehrung alleine würde sich zu sehr biegen und Zement alleine würde leicht reißen. Bei der Kombination zu einem Verbundwerkstoff entsteht jedoch ein extrem steifes Material.

Das Verbundmaterial, das am häufigsten mit dem Begriff "Verbundmaterial" in Verbindung gebracht wird, ist faserverstärkte Kunststoffe. Diese Art von Komposit wird in unserem täglichen Leben ausgiebig verwendet. Häufige alltägliche Anwendungen von faserverstärkten Kunststoffverbunden sind:

• Flugzeug
• Boote und Marine
• Sportausrüstung (Golfschläger, Tennisschläger, Surfbretter, Hockeyschläger usw.)
• Kfz-Komponenten
• Windkraftanlagenblätter
• Körperschutz
• Baumaterial
• Wasserrohre
• Brücken
• Werkzeuggriffe
• Leiterschienen

Moderne Verbundwerkstoffe haben gegenüber anderen Werkstoffen wie Stahl eine Reihe von Vorteilen. Am wichtigsten ist vielleicht, dass Verbundwerkstoffe viel leichter sind. Sie sind korrosionsbeständig, flexibel und dellenfest. Dies bedeutet wiederum, dass sie weniger Wartung erfordern und eine längere Lebensdauer haben als herkömmliche Materialien. Verbundwerkstoffe machen Autos leichter und damit kraftstoffsparender, machen Körperschutzpanzer kugelsicherer und machen Turbinenschaufeln, die den Belastungen durch hohe Windgeschwindigkeiten standhalten.

Quellen

• BBC News Mitarbeiter. "Kevlar-Erfinderin Stephanie Kwolek stirbt." BBC.com. 21. Juni 2014.
• Personal des Energieministeriums. "Top 9 Dinge, die Sie nicht über Kohlefaser wussten." Energy.gov. 29. März 2013.
• Mitarbeiter der Royal Society of Chemistry. "Kompositmaterialien." RSC.org.
• Wilford, John Noble. "Wiederherstellung eines Schlammziegel-Tributs an einen verstorbenen ägyptischen König." NYTimes.com. 10. Januar 2007.