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Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen

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Schulzmathias
Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen
lernst du in der Oberstufe 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen

Inhalt

Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen – Chemie

Wolltest du schon einmal wissen, woraus ein Spaceshuttle gebaut ist? Ein Spaceshuttle besteht aus Verbundwerkstoffen. Doch was sind Verbundwerkstoffe überhaupt?

In diesem Lerntext erfährst du auf einfache Weise Grundlegendes zu Verbundwerkstoffen. Wir sehen uns an, wie Verbundwerkstoffe aufgebaut sind und aus welchen Komponenten sie bestehen können. Außerdem wird durch die Eigenschaften auf die Verwendung der Verbundwerkstoffe geschlossen.

Was sind Verbundwerkstoffe? – Definition

Werkstoffe sind Materialien, die in Produktionsprozessen verarbeitet werden und in die Endprodukte eingehen. Normalerweise handelt es sich dabei um Rohstoffe oder Hilfsstoffe. Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus mindestens zwei miteinander verbundenen Materialien bestehen. Dabei hat der Verbundwerkstoff andere Eigenschaften als die einzelnen Komponenten allein. Ziel von Verbundwerkstoffen ist, die Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endprodukt zu kombinieren und gleichzeitig die Nachteile auszuschließen.

Aufbau von Verbundwerkstoffen

Die Verbundwerkstoffe bestehen aus mindestens zwei Komponenten: der sogenannten Matrix (Grundsubstanz) und dem Verstärkungsmaterial.

Für die Matrix werden Kunststoffe wie Thermoplaste (z. B. Polyester) oder Duroplaste (z .B. Epoxidharze) verwendet.

Als Verstärkungsmaterial werden beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern eingesetzt.

Struktur und Einteilung der Verbundwerkstoffe

Doch wie werden Verbundwerkstoffe eingeteilt und welche Faserverbundwerkstoffe gibt es? Abhängig von den bei der Herstellung verwendeten Materialien und Polymeren gibt es unterschiedliche Arten an Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Strukturen und Eigenschaften. Auch die geometrische Struktur spielt eine Rolle bei der Einteilung der Verbundwerkstoffe.

Einteilung Verbundwerkstoffe Beispiele
Teilchenverbundwerkstoffe (teilchenverstärkender Verbundwerkstoff, Dispersionswerkstoff)
  • Schleifscheiben
  • Hartmetall
  • Spanplatten
  • Sperrholz
  • Faserverbundwerkstoffe
  • Glasfaserverstärktes Glas
  • Faserzement (Eternit)
  • Stahlbeton
  • Schichtverbundwerkstoffe (Laminat)
  • Verbundplatten (Sperrholz)
  • Verbundrohre
  • Glasfaserverstärktes Aluminium
  • Durchdringungsverbundwerkstoffe
  • Schaltkontakte mit Wolfram-Matrix und Kupfer
  • Aufbau Verbundwerkstoffe Beispiele, Mischungsregel Verbundwerkstoffe

    Welche Eigenschaften haben Verbundwerkstoffe?

    Verbundwerkstoffe bieten den Vorteil einer hohen Steifigkeit, Belastbarkeit, Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit und Leichtigkeit. Ein Nachteil von Verbundwerkstoffen ist das schwierige Werkstoffrecycling.

    Anwendungsgebiete und Beispiele für Verbundwerkstoffe

    Und was sind Beispiele für die Anwendung von Verbundwerkstoffen? Verbundwerkstoffe werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt als Tragflächen, als industrielle Bauteile, für Hightechprothesen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen für Spitzensportler oder im Motor- und im Radsport eingesetzt.

    Doch wie werden Verbundwerkstoffe hergestellt? Dazu wollen wir uns die Herstellung der Matrix und des Verstärkungsmaterials genauer anschauen.

    Verbundwerkstoffe aus Polymeren – Herstellung der Matrix

    Die Matrix der Verbundwerkstoffe besteht aus Thermoplasten oder Duroplasten.

    Thermoplaste sind langkettige Moleküle, die weich und bei Wärme gut verformbar sind. Oft besteht die Matrix aus dem Thermoplast Polyester – zum Beispiel bei Fiberglas. Um diesen Thermoplast herzustellen, wird eine Carbonsäure und ein Alkohol (Chemie) benötigt. Beim Vorgang der Polykondensation reagiert die Carboxygruppe der Carbonsäure mit der Hydroxygruppe des Alkohols zu einem Ester unter Abspaltung von Wasser. Wie die Polykondensation des Polyesters abläuft, ist in der folgenden Abbildung kurz zusammengefasst.

    Eigenschaften Verbundwerkstoffe: Reaktionsgleichung Thermoplast Polyester

    Als Duroplast werden in der Regel Epoxidharze verwendet, wobei es sich um ein Polyether mit endständiger Epoxygruppe handelt. Epoxidharze verleihen dem Verbundwerkstoff Festigkeit und thermische Stabilität. Die Epoxygruppe ist ein Ring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom, der sehr reaktiv ist. So kann die Epoxygruppe mit einer Hydroxygruppe eines Alkohols nach dem Mechanismus der Polyaddition reagieren. Dabei entsteht eine Sauerstoffbrücke im Molekül. Duroplaste sind räumlich vernetzte Polymere. Sie sind hart und formstabil.

    Arten Verbundwerkstoffe Vorteile: Reaktionsgleichung Duroplast Epoxidharz

    Verbundwerkstoffe – das Verstärkungsmaterial

    Das Verstärkungsmaterial sorgt in dem Verbundwerkstoff aufgrund der Verarbeitung als Fasern dafür, dass die Steifigkeit und Zugfestigkeit des Werkstoffs erhöht wird und dass er gegenüber aggressiven Substanzen wie Säuren und hohen Temperaturen beständig ist. Das Verstärkermaterial liegt bei Faserverbundwerkstoffen als UD-Laminat vor. Das bedeutet, dass die Fasern zueinander parallel angeordnet sind. Die Fasern liegen dabei nebeneinander und übereinander. Durch die parallele Anordnung der Fasern ergeben sich sogenannte unidirektionale Schichten.

    Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen – Zusammenfassung

    Verbundwerkstoffe bestehen immer aus mindestens zwei Komponenten. Die eine ist die sogenannte Matrix oder Grundsubstanz, wie zum Beispiel Epoxidharz. Die zweite Komponente besteht aus dem Verstärkungsmaterial, beispielsweise Kohlenstofffasern. Verbundwerkstoffe besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften und kommen deshalb bei extremen Anforderungen, wie zum Beispiel wenn ein möglichst niedriges Gewicht benötigt wird, zum Einsatz.

    Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben zum Thema Verbundwerkstoffe, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

    Transkript Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen

    Hallo ich bin Mathias. Willkommen zu Chemie.

    Weißt du eigentlich wie die Flügel eines Flugzeugs so groß sein können ohne zu brechen? Oder woraus ein Space Shuttle gebaut ist? Das Geheimnis sind Verbundwerkstoffe. Warum sie so toll für diese Zwecke geeignet sind, werde ich dir in diesem Video erklären. Es gliedert sich wie folgt. Als erstes werde ich dir erklären wie Verbundwerkstoffe aufgebaut sind und dabei auf die Matrix und das Verstärkungsmaterial eingehen. Was diese Werkstoffe für Eigenschaften haben sehen wir uns dann an. Nun folgen daraus die Verwendungszwecke. Am Schluss gibt es eine kleine Zusammenfassung.

    Dann starten wir mit dem Aufbau. Verbundwerkstoffe bestehen aus mindestens 2 Komponenten. Das eine ist die Matrix oder auch Grundsubstanz. Sie ist hier gelb dargestellt. Die zweite Komponente ist das Verstärkungsmaterial, hier türkis. Die Matrix ist ein Kunststoff. Es werden Thermoplasten und Duroplasten verwendet. Thermoplasten bestehen aus langen Ketten. Sie sind weich und gut verformbar bei Wärme. Duroplasten dagegen sind räumlich vernetzte Polymere. Sie sind hart und formstabil bei Wärme. Am häufigsten verwendet werden Epoxidharze. Es sind Duroplaste. Ein Epoxidharze sind Polyether mit endständigen Epoxygruppen. Dies ist die Epoxy-Gruppe. Es ist ein Ring aus 2 Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Dieser Ring steht unter Spannung. Daher ist er sehr reaktiv. Diese Epoxy-Gruppe kann zum Beispiel mit einem Alkohol reagieren. Es läuft eine Polyaddition ab. Hierbei reagiert die OH-Gruppe mit der Epoxy-Gruppe. Dadurch entsteht eine Sauerstoffbrücke. Das Epoxidharz verleiht dem Werkstoff eine hohe Festigkeit und thermische Stabilität. Ein Thermoplast, der oft für die Matrix verwendet wird, ist Polyester. Er kommt in Fiberglas zum Einsatz. Für die Herstellung benötigt man Carbonsäuren und Alkohole. Carboxy-Gruppe und Hydroxy-Gruppe reagieren unter Abspaltung von Wasser miteinander. Eine Estergruppe hat sich gebildet. Die Reaktion ist eine Polykondensation. So die Matrix hätten wir. Wir brauchen nun noch die 2. Komponente, das Verstärkungsmaterial. Es dient dazu die Steifigkeit und Zugfestigkeit des ganzen Werkstoffs zu erhöhen. Ausserdem macht es ihn beständig gegen aggressive Substanzen, wie zum Beispiel Säuren, und hohe Temperaturen. Das Material wird in Form von Fasern eingearbeitet. Diese liegen parallel im Werkstoff. Sie werden dann aufeinander gestapelt. Diese Schichten nennt man unidirektionale Schichten. Zusammen ergeben sie das UD-Laminat. Eingesetzt werden: Glasfasern, Kohlenstofffasern und Aramidfasern. Du weißt nun wie Verbundstoffe aufgebaut sind. Bei diesem Aufwand müssen sie ja ganz tolle Eigenschaften haben. Diese sehen wir uns jetzt an. Verbundwerkstoffe besitzen eine hohe Steifigkeit, sind also sehr belastbar. Gleichzeitig sind sie aber auch sehr flexibel. Sie kommen damit den wünschenswerten Eigenschaften von Stahl sehr nahe, sind dabei allerdings korrosionsbeständig und durch ihre geringe Dichte auch sehr leicht. Wofür werden diese Werkstoffe nun verwendet? Zum Einsatz kommen sie in der Luft- und Raumfahrt. Zum Beispiel für Tragflächen. Des weiteren werden industrielle Bauteile aus ihnen gefertigt. Hightech-Prothesen für Spitzensportler sind aus Kohlefaser-verstärkten Kunststoffen. Weitere Anwendungsgebiete im Sport sind Motorsport, wie die Formel 1, und der Radsport. Du weißt nun wie Verbundwerkstoffe aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie besitzen. Ausserdem kennst du nun auch ihre Anwendungsbereiche. Nun werde ich das Video noch einmal kurz zusammenfassen. Verbundwerkstoffe bestehen aus mindestens 2 Komponenten. Die eine ist die Matrix oder Grundsubstanz, wie zum Beispiel Epoxidharz. Die Zweite ist das Verstärkungsmaterial, beispielsweise Kohlenstofffaser. Verbundwerkstoffe besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften. Daher kommen sie zum Einsatz wenn bei extremen Anforderungen ein möglichst niedriges Gewicht benötigt wird.

    Vielen Dank für deine Aufmerksamkeit. Bis zum nächsten mal, dein Mathias

    Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen kannst du es wiederholen und üben.
    • Nenne wünschenswerte Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

      Tipps

      Die Dichte eines Stoffes ist als die Masse in Gramm pro Kubikzentimeter des Stoffes definiert.

      Lösung

      Verbundwerkstoffe werden aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt: Verstärkungsfasern werden in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Beide Materialien bestimmen die Eigenschaften des Verbundmaterials. Daher haben Verbundmaterialien gegenüber einfachen Kunststoffen deutlich bessere Materialeigenschaften.

      Ähnlich wie Stahl sind sie trotz einer sehr hohen Zugfestigkeit sehr elastisch. Das bedeutet, an einer Platte aus Verbundmaterial kann man in Längsrichtung sehr feste ziehen, ohne dass das Material bricht. Gleichzeitig ist die Platte selbst biegsam. Wie Stahl kann es, zum Beispiel in Form von T-Trägern, sehr steif sein. Das ist wichtig, damit sich zum Beispiel Flugzeugflügel nicht unter Belastung verbiegen.

      Verbundwerkstoffe haben gegenüber Stahl einige gewichtige Vorteile. Der Wichtigste ist die geringe Dichte. Diese führt dazu, dass Bauteile und Verbundwerkstoffen im Vergleich zu den gleichen Bauteilen aus Stahl wesentlich leichter sind. Außerdem sind Verbundwerkstoffe sehr beständig, das heißt, weder oxidieren sie, noch sind sie empfindlich gegenüber Säuren, Basen oder vielen anderen Chemikalien.

    • Fasse zusammen, aus welchen Materialien Verbundwerkstoffe aufgebaut sind.

      Tipps

      Als Duroplaste und Thermoplaste werden Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften bezeichnet.

      Lösung

      Das Prinzip des Verbundwerkstoffs findet vielzählige Anwendungen in Natur und Technik. Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Materialien lassen sich die Eigenschaften des Verbundmaterials verbessern.
      So ist zum Beispiel Holz aus zugfesten Cellulose-Fasern aufgebaut, die in eine Matrix aus druckstabilen Lignin eingelagert sind. Bei den Knochen der Wirbeltiere verleiht ein Gerüst aus Calciumphosphat dem Material Steifigkeit und Stabilität, das in einer Matrix aus Kollagen, einem Protein, eingebettet ist.
      Das Prinzip empfindet der Mensch in vielen künstlichen, technisch genutzten Materialien nach. Mit den Faser-Kunststoff-Verbundmaterialien habt ihr ein Beispiel kennengelernt. Ein weiteres Beispiel ist Stahlbeton - hier sind Stahlfasern in eine Matrix aus Beton eingebettet. Bettet man Fasern in keramische Werkstoffe ein, so erhält man die sehr festen und hitzebeständigen keramischen Faserverbundwerkstoffe.

    • Prüfe, welche Bauteile sinnvoll aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden können.

      Tipps

      In Triebwerken wird Kerosin bei hohen Temperaturen verbrannt.

      Stahlteile haben eine höhere Abriebfestigkeit als Bauteile aus Verbundwerkstoffen.

      Lösung

      Verbundwerkstoffe können überall dort eingesetzt werden, wo leichte, tragfähige Bauteile gefragt sind. Fahrradrahmen, Rotoren von Windrädern oder Tragflächen von Flugzeugen sind gute Beispiele.

      Ungeeignet sind Bauteile aus Faser-Verbundwerkstoffen zum Beispiel, wenn sehr hohe Temperaturen vorherrschen. Die Kunststoffmatrix wird selbst bei einer sehr teuren Teflon-Matrix bei Temperaturen über 350°C zerstört. Für Flugzeugturbinen mit Betriebstemperaturen von etwa 1300°C sind Verbundwerkstoffe aus Kunststoff daher ungeeignet.

      Auch in Sachen Abriebfestigkeit sind Metallbauteile im Vorteil. Bei Fahrradketten reibt die Kette unter Druck über die Zahnräder, daher ist hier der Abrieb sehr groß. Eine verschleißarme Fahrradkette aus Verbundwerkstoff wäre unverhältnismäßig teurer als eine Stahl-Kette, daher wird dieses Bauteil nicht aus Verbundwerkstoffen gefertigt.

    • Analysiere die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

      Tipps

      Geringe Zugfestigkeit bedeutet, dass das Material unter Zugbelastung bricht. Dies ist immer abhängig von der Zugrichtung!

      Lösung

      Die Richtung, in der die Fasern in die Matrix eingelagert sind, entscheidet über die mechanischen Eigenschaften des Faser-Verbundwerkstoffs. Die Fasern verleihen dem Material Zugfestigkeit, allerdings nur in Richtung der Fasern. Da die Fasern aus einem steifen Material bestehen, sind sie empfindlich gegenüber Biegebelastungen, also Belastungen quer zur Faserrichtung. In dieser Richtung brechen sie bei geringer Belastung.
      Es ist die Aufgabe des Matrixmaterials, die Fasern vor diesen Biegebelastungen zu schützen. Es nimmt anliegende Kräfte auf und verteilt die Kraft auf alle Fasern. Auch bei Zugbelastung wird die anliegende Kraft auf viele Faserbündel verteilt.

      Fasern lassen sich jedoch auch in mehr als nur einer Richtung anordnen. In Platten aus Faser-Verbundwerkstoff werden die Fasern in einer Ebene angeordnet, daher sind die Platten in der Ebene in alle Richtungen sehr stabil bei Zugbelastungen. Durch Verweben der Fasern in dreidimensionale Strukturen lassen sich räumliche Werkstücke herstellen, die im Raum in die gewünschte Richtung hohe Zugbelastungen aushalten.

    • Nenne die Aufgaben des Verstärkungsmaterials.

      Tipps

      Die Verstärkungsfasern haben meist eine höhere Dichte als das Matrix-Material.

      Lösung

      Die Verstärkungsfasern bestehen, wie der Name schon sagt, aus langen Kunststofffasern. Diese sind häufig wie bei Seilen in Bündeln angeordnet, dies erhöht die Festigkeit. Die Fasern funktionieren auch ähnlich wie Seile: In Richtung der Fasern sind sie sehr stabil und halten hohe Zugkräfte aus. In andere Richtungen allerdings sind die Fasern wenig stabil und sehr flexibel. Es ist die Aufgabe des Matrixmaterials, die Fasern zu stützen und in der gewünschten Position zu halten.

      Die Aufgabe des Verstärkungsmaterial ist es also, in Richtung der Fasern dem Material eine hohe Zugfestigkeit zu verleihen. Das Matrixmaterial allein könnte nicht so hohe Zugkräfte aufnehmen, ohne dabei zu zerreißen. Ordnet man die Fasern in unterschiedliche Richtungen an, geben sie dem Werkstoff Zugfestigkeit in alle Raumrichtungen. Dadurch lässt sich ein sehr steifer Werkstoff herstellen.

    • Ermittle Einsatzmöglichkeiten von Verbundwerstoffen mit Elastomeren als Matrixmaterial.

      Tipps

      Elastomere sind weich und lassen sich unter geringem Kraftaufwand verformen!

      Lösung

      Elastomere können hohe Kräfte aufnehmen, ohne zu reißen, allerdings dehnt sich das Material dabei sehr. Daher sind Elastomere als Verstärkungsmaterial ungeeignet. Sie dehnen sich unter Zugbelastung stärker als das Matrixmaterial, dieses hält der Zugbelastung daher nicht stand und reißt.
      Auch als Matrixmaterial sind Elastomere für die meisten Einsatzzwecke ungeeignet. Sie schützen die Verstärkungsfasern nicht ausreichend vor Biege- und Druckbelastungen, da sich das Matrixmaterial unter Belastung verformen würde. Unter Zugbelastung würde die Kraft auch nicht auf alle Fasern verteilt werden, da das elastische Material die Kraft nicht weiterleiten kann.

      Eine Ausnahme stellen Keil- und Zahnriemen dar. Diese sind ringförmig, das Fasermaterial verläuft also im Kreis. Dadurch können die Textil- oder Stahlfasern hohe Ringkräfte aufnehmen. Die Elastomer-Matrix aus Gummi wird dabei kaum gedehnt, sie schützt die Fasern vor Umwelteinflüssen. Außerdem hat sie eine höhere Reibung als das Fasermaterial, sie klebt geradezu an den Rollen, über die der Keilriemen läuft. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Keilriemen.

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