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24.11.2014

Besserer Halt für Carbonfasern

Faseroberfläche nach Präparation mit Monomerenlösung (Bild: ITCF)

Faseroberfläche nach Präparation mit Monomerenlösung (Bild: ITCF)

Verbundwerkstoffe auf Basis von Carbonfasern weisen außergewöhnliche Festigkeiten und Zähigkeiten auf. Dabei ist die Haftung der Carbonfasern an die Matrix ein wichtiges Kriterium. Lösen sich die Faseroberflächen bei Krafteinwirkung vom Matrixharz ab, konzentriert sich die Kraftaufnahme nur noch auf die Fasern und es kann zum Materialversagen kommen.

Bisher werden die Fasern chemisch behandelt, um die Faser-Matrix-Haftung zu verbessern – Oxidationsvorgänge oder eine Plasmabehandlung erzeugen funktionelle Gruppen auf der Faseroberfläche. Dies verbessert zwar die Faser-Matrix-Haftung, verringert jedoch auch die Festigkeit der Fasern. Daher wurde am ITCF Denkendorf ein neues Verfahren entwickelt, um die Haftung der Carbonfaser an der Epoxidmatrix zu erhöhen. Dabei werden Polymerketten auf die Oberflächen der Fasern aufgepfropft. Die Polymere binden sich an funktionelle Gruppen der Carbonfasern, wachsen auf der Faseroberfläche zu polymeren Ketten und bilden dreidimensionale Strukturen. Wie kleine Anker ragen diese dann in das Epoxidharz. Auf diese Weise lässt sich eine hervorragende Faser-Matrix-Haftung erzielen, ohne die ursprüngliche Stabilität der Faser einzuschränken.

Die chemische Oberflächenmodifikation ist den Angaben zufolge unkompliziert in die industrielle Produktion übertragbar. Die Fasern werden dabei mit einer Monomerenlösung präpariert und anschließend einer Temperaturbehandlung unterzogen. Darauf folgt ein Wasch- und Trocknungsvorgang.

Untersuchungen von Prüfkörpern, die nach der neuen Methode hergestellt wurden, zeigen eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die Zugfestigkeiten stiegen im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit herkömmlich behandelten Fasern um 15%. Auch der Elastizitätsmodul konnte um 6% gesteigert werden. Den größten Einfluss hatte die Behandlung auf die interlaminare Scherfestigkeit, die um 20% anstieg. Mikroskopische Bilder von Bruchflächen des modifizierten Materials zeigen, dass die Fasern im Zugversuch weit weniger aus dem Matrixmaterial herausgezogen werden.

Dr.-Ing. Harald Sambale
sambale <AT> hanser.de

Institut für Textilchemie- und Chemiefasern (ITCF)
Körschtalstraße 26
DE 73770 Denkendorf
Tel: +49 711 93040-101
Fax: +49 711 9340-185


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