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19.11.2014

Thementag Faser-Matrix-Haftung

Bericht über die Veranstaltung des Carbon Composite e.V.

Für die Herstellung effizienter Leichtbaustrukturen aus Verbundwerkstoffen ist eine gute Haftung zwischen Verstärkungsfaser und Matrix sehr wichtig. Auf dem ersten Thementag Faser-Matrix-Haftung war dies nur eines der brisanten Themen.

Von Dr. Nadine Warkotsch

Impression vom ersten Thementag „Faser-Matrix-Haftung/Grenzschichtenmodifizierung“ (Bilder: CCeV)

Impression vom ersten Thementag „Faser-Matrix-Haftung/Grenzschichtenmodifizierung“ (Bilder: CCeV)

Faserverbundkunststoffe (FVK) bestehen aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix, besitzen hohe spezifische Steifigkeiten sowie Festigkeiten und eignen sich damit als Konstruktionswerkstoff für Leichtbauanwendungen. Die Leistungsfähigkeit eines Faserverbundwerkstoffs hängt entscheiden davon ab, wie gut die Faser-Matrix-Haftung beschaffen ist. Bedingt durch neue Entwicklungen im Bereich von Fasern und Matrices ergeben sich neue Anforderungen an die Modifizierung von Verstärkungsfasern und damit an die Qualität der Anbindung der Faser an die Matrix.

Von Rohstoffherstellern bis zu Endanwendern

Der Thementag „Faser-Matrix-Haftung/Grenzschichtenmodifizierung“ fand am 12. September 2014 zum ersten Mal und auf Initiative der Regionalabteilung Carbon Composite Ost (CC Ost) des Carbon Composite e.V. (CCeV) am Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) statt. „Mit dem Thementag zur Faser-Matrix-Haftung kommen wir verschiedenen Anfragen des CCeV sowie der Industrie nach“, so Dr. Christina Scheffler, Gruppenleiterin der Abteilung Verbundwerkstoffe im IPF im Rahmen der Veranstaltung. Die Prägnanz dieses Forschungsschwerpunktes solle damit hervorgehoben und über die Kompetenzen des Instituts informiert werden.

Dr. Thomas Heber, Abteilungsgeschäftsführer CC Ost des Carbon Composites e.V. (Bild: CCeV)

Dr. Thomas Heber

In Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Heber, Abteilungsgeschäftsführer CC Ost, sowie Dr. Frank Schladitz, Abteilungsgeschäftsführer CC Tudalit, wurden interessante und vielseitige Beiträge von Rohstoffherstellern bis zu Endanwendern zur der Problematik Schlichte und Grenzschicht präsentiert. Das Programm umfasste die Themen Faserherstellung/Schlichteentwicklung und Charakterisierungsmethoden sowie einen Block zur Faser-Matrix-Haftung in zementgebundenen Matrices.

Am Thementag nahmen 130 Fachleute, v. a. aus Industrie und Forschung, teil.

Arbeitsgemeinschaft „Faser-Matrix-Haftung“ gegründet

Im Rahmen des Thementags wurden erste Ansätze für mögliche Projekte und Kooperationen innerhalb einer Arbeitsgruppe (AG) diskutiert. Einstimmig beschlossen die anwesenden Fachleute die Gründung einer CCeV-AG „Faser-Matrix-Haftung“ unter der Leitung von Dr. Christina Scheffler. Sie betonte, dass „die Wirtschaft zum einen bei der Thematik der Charakterisierung der Faser-Matrix-Haftung Forschungsbedarf sieht, zum anderen auch eine intensivere Zusammenarbeit für die Entwicklung von matrixkompatiblen Faserschlichten fordert.“ Dem solle die neu gegründete Arbeitsgruppe nachkommen.

Leistungsfähige Grenzfläche

Oliver Stoll von der Volkswagen AG betonte die Wichtigkeit des Themas Faser-Matrix-Haftung beziehungsweise Grenzschichtmodifizierung aus dem Blickwinkel eines Automobilherstellers: „Die Herausforderung bei der Auslegung von Faserverbundwerkstoffen liegt in der gezielten anwendungsspezifischen Auswahl geeigneter Faser-Matrix-Kombinationen unter der Berücksichtigung einer Vielzahl eigenschaftsbeeinflussender Faktoren. Der Grenzflächengestaltung kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu.“
Die von Stoll angesprochene anwendungsspezifische Auswahl gilt als eine der größten Herausforderungen in den Entwicklungslaboren der Endanwender. Was häufig fehlt, ist eine ausreichend enge Zusammenarbeit bzw. Kommunikation zwischen Harz- und Faserherstellern.

Die richtige Schlichte ist eine Wissenschaft für sich

Die Schlichte ist ein Filmbildner, der auf die Faser aufgebracht wird, um die Faser-Polymer-Grenzflächen besser zu verbinden. In der Regel werden einzelne Schlichten für viele Systeme gleichzeitig angeboten und das Gesamtangebot an Schlichten als zu gering und nicht spezifisch genug wahrgenommen. Eine stärker anwendungsbezogene Optimierung von Schlichtesystemen ist großer Wunsch vieler Endanwender und bietet gleichzeitig ein großes Potenzial.

„Die Entwicklung der Schlichte als Bindeglied zwischen Faser und Matrix ist eine Wissenschaft für sich“, betont Dr. Nicolas Zschoerper, SGL Carbon. „Nicht nur in der Zusammenstellung aus einem umfangreichen ‚Apothekerschrank‘, auch in der Steuerung der Prozessparameter zur Herstellung finden sich viele sensitive Stellschrauben“, so Zschoerper. Insbesondere in der Charakterisierung zur Unterstützung der Parametersteuerung sieht er noch großes Potenzial.

Die richtigen Charakterisierungsmethoden

Bei der Charakterisierung der Faser-Matrix-Haftung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Eine qualitative Beurteilung der Haftung der Fasern in der Polymermatrix ermöglichen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Bruchflächen. Mikromechanische Charakterisierungsmethoden, wie z. B. Fragmentationstests und Einzelfaserauszugstests, können Auskunft über Leistungsfähigkeit der Faser-Matrix-Haftung geben.

Allerdings sind, laut Faserherstellern, noch nicht ausreichend Methoden verfügbar, die bereits bei Zwischenstufen im Herstellprozess aussagekräftige Werte liefern.

Dr. Nadine Warkotsch ist freiberufliche Redakteurin und Autorin