Faserverbundbauweisen

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2 Manfred Flemming. Gerhard Ziegmann Siegfried Roth Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices Mit 200 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heide1berg GmbH

3 Professor Dr. Manfred Flemming ETH Zurich Institut fur Konstruktion und Bauweisen Tannenstrasse 3 CH Zilrich Dr. Gerhard Ziegmann ETH Zilrich Institut fur Konstruktion und Bauweisen Bauweisenlabor Wagistrasse 13/18 CH Schlieren Dipl.-Ing. FH Siegfried Roth Tobelstra8e 17 D Salem ISBN ISBN (ebook) DOI / CIP-Eintrag beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiltzt. Die dadurch begrilndeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiltungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 Ursprilnglich erschienen bei Springer-V erlag Berlin Heidelberg New York 1995 Softcover reprint ofthe hardcover lst edition 1995 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dar solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dilrften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat ilbernehmen. Es empfiehlt sich, fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gilltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren SPIN: / Gedruckt aufsaurefreiem Papier

4 Dieses B uch widmen wir unseren geduldigen Frauen Christa Gabriele Elisabeth

5 Vorwort Dieses Buch ist aus der Uberzeugung entstanden, dab die Faserverbundwerkstoffe einer groben Zukunft entgegensehen. Absehbar entwickeln sich zuktinftige Werkstoffe zu komplizierten Stoffsystemen mit mehreren Funktionen. Der Umgang solcher Systeme verlangt ein tiefes Verstandnis der Stoffkomponenten und des Gesamten. Deshalb werden die derzeit und zuktinftig verwendeten 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 Hochtemperaturanwendungen - 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 thermoplastischen 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 Faserverbundbauweisen. Unser Dank gilt insbesondere unseren Mitarbeitern Frau G6tz, Herrn Hintermann, 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

6 Inhaltsverzeichnis Einf"lihrung... 1 Faserarten... 6 KohlenstotTasern... 6 Kohlenstoffasem aus PAN... 9 Kohlenstoffasem aus Pech Zusammenfassung Keramikfasern Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Wolfram Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff Kemlose Siliziumkarbidfasem Aluminiumoxidfaser Sonstige keramische Fasem Quarzglasfasem... ~.. 47 Weitere Oxidfasem Borkarbidfasem Siliziumkarbid-Nitridfasem Bomitridfasern Glasfasern Struktur der Glasfasem Herstellung der Glasfasem Glasarten Eigenschaften der Glasfasem Oberflachenbehandlung der Glasfasem Synthesefasem Aramidfasern Polyethylenfasem Technische thermoplastische Fasem Polyamidfasem (Nylon 6) Polyesterfasern Polyethylenfasem Polyetheretherketonfasem (PEEK) Fliissigkristalline Polyesterfasem Borfasem Borfasem mit Kemfaden aus Wolfram Borfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff Modifizierte Borfasem Zusammenfassung Hohlfasern Hohlglasfasem Hohlkohlenstoffasem Hohle Zellulose- und Polymerfasem

7 VIII Inhaltsverzeichnis Hochgeordnete Polymerfasern Herstellung der Polymere und der Fasem Struktur und Morphologie der Fasem Eigenschaften der hochgeordneten Polymerfasem Naturfasern Autbau der Pflanzenfasem Beschreibung der wichtigsten Faserpflanzen und der Verfahren zur Fasergewinnung Flachsfasem Sisalfasern Zusammenfassung Faser- und Faseroberflachenbehandlungen zur Verbesserung der Fasereigenschaften und der Haftung zwischen Faser und Harz Behandlung der Fasem und der Faseroberflache durch Acetylierungssysteme Behandlung der Faseroberflache durch Beschichtung MaBnahmen zur Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung von naturfaserverstarkten Thermoplasten Matrixsysteme Polymere Matrixsysteme Duroplastische Matrixsysteme Ungesattigte Polyesterharze (UP) Vinylesterharze (VE) Epoxidharze (EP) Poly imide (PI) und andere hochtemperaturbestandige Duroplaste Phenolharze (PF) Faserverstarkte Thermoplaste Polypropylen - PP Polyamid (PA) Polyethylenterephthalat (PET) Poly sulfone und -sulfid Polyetherimid (PEl) Polyaryletherketone (PAEK) Zusammenfassung Sonstige Matrixsysteme Metallische Matrixsysteme Faserverstarkte Keramiken Kohlenstoffaserverstarkter Kohlenstoff (C/C-(Carbonl Carbon)) Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis Abkiirzungen