Kapitel 7 Chapter 7 Glas-, Aramid- und Kohlenstoffasern Glass, Aramid- and carbon fibres
VERSTÄRKUNGSFASERN EINFÜHRUNG IN DAS GEBIET DER FASERVERBUNDSTOFFE Reinforcing fibres An introduction to the field of fibre composites Gewichtsminderungen unter Beibehaltung oder gar Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sind die wesentlichen Vorteile des Leichtbaus mit Faserverbundwerkstoffen. Dies läßt sich leicht anhand der Rentabilität eines Flugzeuges betrachten, dessen Zellengewicht aus Verbundwerkstoffen um 10 % reduziert wurde.
7 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Stress-strain curve Kohlenstoff/carbon T 7.0 Kohlenstoff//carbon carbon UHM Kohlenstoff/carbon aramid Aramid//aramid T 3,6 (Kevlar 49) R, S-Glas/R, S glass E-Glas/E glass HPPE (Dyneema SK60) Physikalische Eigenschaften verschiedener Fasern Dichte/ Density g/cm3 Zugfestigkeit GPa Tensile strength GPa E-Modul GPa Modulus of elasticity GPa lineare Dehngrenze % Practical elastic limit % Reißlänge km Breaking length km Stahl Steel 7,8 1,8 - 2,2 210 1,4 - 1,7 bis/max.
Pflanzenfasern Vegetable fibres Verstärkungsmaterialien aus Pflanzenfasern sind als Vliese und teilweise auch als Gewebe erhältlich. Insbesondere der hochwertigen Ramie-Faser, die aus dem subtropischen Chinagras gewonnen wird, kommt wachsende Bedeutung zu. Hinsichtlich ihrer gewichtsbezogenen Festigkeit ist die Ramie-Faser durchaus mit der E-Glasfaser vergleichbar.
7 Maximale Feuchtigkeitsaufnahme üblicher Faserverstärkungen bei einer rel. Umgebungsfeuchte von 65 % Produkt Product Max. moisture absorption by customary fibre reinforcements in an environment of 65% relative humidity max. Feuchte % max.
VERSTÄRKUNGSFASERN physikalische eigenschaften der wichtigsten fasern Reinforcing fibres physical properties of the most important fibres Einheit Unit E-Glas E glas Dichte Density g/cm³ 2,6 1,45 1,78 Zugfestigkeit Tensile strength MPa 3400 2880 3400 Elastizitätsmodul II Modulus of elasticity II GPa 73 100 235 Elastizitätsmodul ⊥ Modulus of elasticity ⊥ GPa 73 5,4 15 % 3,5 2,8 1,4 Wärmeausdehnungskoeffizient II Coefficient of thermal expansion II 10‑6 K‑1 5 ‑3,5 -0,1 Wärmeausd
Aramid fibres Aramidfasern Der Einsatz von Aramiden ist dann sinnvoll, wenn Gewichtsersparnis an erster Stelle steht. Weiterhin werden abrieb- und schlagbeanspruchte Teile (z.B. Schutz der Vorderkanten von Flugzeugleitwerken gegen Hagelschlag, Kajaks) aus aramidfaserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Festigkeit und Steifigkeit sind etwas besser als bei E-Glas. Weitere Eigenschaften sind das gute Dämpfungsvermögen, die Nichtentflammbarkeit und die hervorragende chemische Beständigkeit.
71 VERSTÄRKUNGSFASERN physikalische eigenschaften der wichtigsten fasern Reinforcing fibres physical properties of the most important fibres Schutz der UP-Harz-Oberfläche vor Luftsauerstoff, der die Polymerisation der Oberfläche behindert und klebrig erhält. Protects the surface of UP resin from atmospheric oxygen that suppresses or retards polymerisation of the surface, leaving it tacky.
7 Motorrad mit einem Rahmen aus Faserverbundwerkstoffen aus der Fertigung der Firma CarboTech Composites GmbH, A-Salzburg Motorcycle with a frame of fibre composites manufactured by the company CarboTech Composites GmbH in Salzburg, Austria Zugfestigkeit / Tensile strength MPa (DIN EN 61) 3) E-Modul Zugversuch / Tensile modulus GPa (DIN EN 61) 3) Druckfestigkeit / Compressive strength MPa (DIN 534554) 3) 4) 4) 4) Glas 1) Glass 1) Kohlenstoff 2) Carbon 2) Aramid 2) Aramid 2) 330 -
Webarten Die wichtigsten Gewebekonstruktionen in Kürze weave types A brief overview of the most important fabric constructions In Verbundwerkstoffen sind die Verstärkungsfasern in eine Kunstharzmatrix eingebettet. Die Verstärkungsfasern liegen häufig in Form von Geweben vor. Gewebe sind durch die rechtwinkelige Verkreuzung der beiden Fadensysteme (Kette und Schuß) gekennzeichnet. Die Art und Weise, wie sich diese Fäden kreuzen, wird Bindung genannt.
7 Satin weave Atlas Atlasbindung 1/7 Ausg./Ed. 06.09 Änderungen vorbehalten / Modifications reserved Atlas / Satin weave Für Verbundwerkstoffe werden nur zwei Grundformen des Atlas (englisch: satin) angewandt. Um diese Gewebebindungen herstellen zu können, benötigt der Weber mindestens 5 bzw. 8 Schäfte (englisch: harness). Daher wird im englischen Sprachraum auch von “five” bzw. “eight harness satin” gesprochen.
Webarten Die wichtigsten Gewebekonstruktionen in Kürze weave types A brief overview of the most important fabric constructions Neue Produkte New products Neben textilen Geweben in Leinwand-, Köper- und Atlasbindung haben sich seit einigen Jahren auch Spezialprodukte z.B. für den Schiffbau, Windkraftflügel und Sportgerätebau etabliert.
Glasfasern Herstellung und Eigenschaften Glassfibres Manufacture and Properties 7 Glass fibres Glasfasern Glasfasern aus E-Glas sind der am weitesten verbreitete Verstärkungswerkstoff. Die Festigkeitseigenschaften entsprechen denen von Metallen (z.B. AluLegierungen), wobei das spezifische Gewicht von Laminaten niedriger ist, als das der Metalle. E-Glasfasern sind unbrennbar, hitzefest bis ca. 400 °C und beständig gegen die meisten Chemikalien und Witterungseinflüsse.
Glasfasern Herstellung und Eigenschaften Glassfibres Manufacture and Properties Thermische Eigenschaften Chemical properties Textilglas ist unbrennbar. Werden jedoch Gewebe mit organischen Mitteln ausgerüstet, so wird das Brandverhalten verändert. Es muß dann die Brennbarkeitsbeurteilung am Endprodukt erfolgen. Textilglasgewebe haben eine hohe Restfestigkeit nach Temperaturbeaufschlagung. Restzugfestigkeit von Geweben aus E-Glas nach 24-stündiger Lagerung bei: Textile glass is incombustible.
7 Why finished glass fabrics? Warum gefinishte Glasgewebe? Glasfilamentgarne werden vom Faserhersteller mit einer Textilschlichte versehen, um das Garn während der Verarbeitungsprozesse (Zetteln, Weben) zu schützen. Diese Schlichte besteht aus Stärke und Ölen und wirkt einer Haftung zwischen Faser und Harz entgegen. Um eine gute Haftung zu erreichen, wird die Textilschlichte von CS-InterglasGeweben entfernt und das Gewebe nachfolgend mit einem Haftvermittler (Finish) beschichtet.
158 Glasfasern Herstellung und Eigenschaften Glassfibres Manufacture and Properties Faserspritzrovings zerfallen nach dem Schneiden sofort in Einzelfäden. Rovings zum Wickeln und Handlaminieren (R&G Glasroving 2400 tex) sind wesentlich feiner und besitzen einen besseren Zusammenhalt. Spray-up rovings immediately unravel into their individual fibres after being cut. Rovings for winding and hand lay-up operations (R&G glass roving 2400 tex) are essentially finer and exhibit better coherence.
7 Specifications of E glass fibres Daten der E-Glasfaser Eigenschaften E-Glas / Properties Einheit / Unit E-Glas / E glass g/cm³/20 °C 2.6 Zugfestigkeit / Tensile strength MPa 3400 E-Modul / Modulus of elasticity GPa 73 Bruchdehnung / Elongation at break % 3.5 - 4 Querkontraktionszahl / Poisson ratio — 0.18 Ω·cm / 20 °C 1015 Dielektrizitätskonstante / Dielectric constant 106 Hz 5.8 - 6.7 Therm.
71 Aramidfasern Herstellung und Eigenschaften Aramid fibres Manufacture and Properties Aramidfasern Aramid fibres Aromatisches Polyamid (Aramid) wurde 1965 von der Firma DuPont entdeckt und unter dem Namen Kevlar® zur Marktreife entwickelt. Aramidfasern besitzen eine hohe spezifische (gewichtsbezogene) Festigkeit, niedrige Dichte, hohe Schlagzähigkeit, gute Wärmebeständigkeit und Dimensionstabilität, gute Schwingungsdämpfung und ein hohes Arbeitsaufnahmevermögen.
7 Thermal properties Thermische Eigenschaften Aramide sind entflammbar, jedoch bei Entfernen der Feuerquelle selbstverlöschend. Die Fasern schmelzen nicht und weisen eine gute flammhemmende Wirkung auf. Die Wärmeleitfähigkeit ist gering. Bei höheren Temperaturen beginnen Aramide zu verkohlen, aber sie weisen auch nach mehrtägiger Belastung mit Temperaturen um 250 °C noch eine Restzugfestigkeit von 50 % auf. Aramids are flammable, but self-extinguishing as soon as the source of the fire is removed.
71 Aramidfasern Herstellung und Eigenschaften Aramid fibres Manufacture and Properties Specifications of aramid fibres Daten der Aramidfasern Aramid Aramid Einheit Unit Niedermodul (LM) Low modulus (LM) Hochmodul High modulus (HM) g/cm³/20 °C 1,44 1.45 Zugfestigkeit / Tensile strength MPa 2800 2880 Zug E-Modul / Tensile modulus GPa 59 100 % 4 2,8 Ω/cm/20 °C 15 10 1015 Therm.
Kohlenstoffasern (carbon) Herstellung und Eigenschaften Carbon fibres Manufacture and Properties Carbon Fibres Kohlenstoffasern (carbon) Kohlenstoffasern wurden (als Glühlampendraht) erstmals im 19. Jahrhundert durch Verkokung von Kunstseide erzeugt. Erst viel später, gegen Ende der 60er Jahre, kamen Kohlenstoff-Verstärkungsfasern in geringen Mengen und zu hohen Preisen (um 1500,-- EUR / kg) auf den Markt.
Kohlenstoffasern (carbon) Herstellung und Eigenschaften Carbon fibres Manufacture and Properties Thermische Eigenschaften Geringe Wärmeausdehnung Geringe Wärmeleitfähigkeit Low thermal expansion Low thermal conductivity Sehr niedriger thermischer Ausdehnungkoeffizient, der CFK eine hohe Maßstabilität verleiht. Kohlenstoffasern sind unbrennbar. Sie sind unter Sauerstoffabschluß stabil bis 3000 °C, mit Sauerstoff erfolgt ab ca 400 °C eine Oxidation, die zu Festigkeitsverlusten führt.
7 Die Faseroberfläche ist sehr groß: bei einem Faserdurchmesser von 7 µm und einem Faservolumenanteil von 50 % ergibt sich für 1 cm3 Laminat eine rechnerische Faseroberfläche von 2800 cm2. The surface of the fibres is very large: a fibre diameter of 7 µm and a fibre volume fraction of 50% yield a theoretical fibre surface of 2800 cm² for every 1 cm³ of laminate.
Kohlenstoffasern (Carbon) Herstellung und Eigenschaften Carbon fibres Manufacture and properties Filamentgarn UMS UMS filament yarn Die Tenax® UMS, „Ultra High Modulus“ (UM) Faser ist für Anwendungen geeignet, wo eine überlegene Steifigkeit erforderlich für die Leistungsfähigkeit des Bauteils ist. Vor allem Konstruktionen wie Satellitenstrukturen, Antennen oder Wellen und Walzen erfordern die außergewöhnlichen Eigenschaften der Tenax® UMS Fasern.
7 Spezifikation Specifications R&G liefert Gewebe und Rovings hauptsächlich aus Tenax Kohlenstoffasern. Die meisten Breitgewebe sind nach DIN 65 147 T1 und T2 (Luftfahrtnorm) und den QSF-B-Richtlinien (Qualitätssicherungs-System der Luftfahrt) hergestellt. R&G provides fabrics and rovings manufactured primarily from Tenax® carbon fibres. Most fabrics in open width are manufactured in accordance with DIN 65 147 T1 and T2 (aircraft standard) and the QSF-B guidelines (quality assurance system for aviation).
Kohlenstoffasern (Carbon) Herstellung und Eigenschaften Carbon fibres Manufacture and properties Sicherheitshinweise Notes on safety Kohlenstoffasern, Faserbruchstücke und Faserabrieb haben einige besondere Eigenschaften: Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit ist die Einwirkung auf elektrische Anlagen zu vermeiden. Bei Einwirkung auf die Haut kann eine Reizung erfolgen. Aus Vorsorge ist geeignete Schutzkleidung zu tragen.
7 Ökologie Ecological data Werkstoffe Dichte Öltonnenäquivalent Öltonnenäquivalent Öltonnenäquivalent für Rohmaterial für Umwandlung für den Werkstoff Material Density Tonnes of oil equivalent Tonnes of oil equivalent Tonnes of oil equivalent for raw material for conversion for the engineering material Aluminium 2.7 Aluminium Ausg./Ed. 06.09 Änderungen vorbehalten / Modifications reserved Stahl Steel — 7.
71 Die KohleNstoff-Weberei Blick in die Weberei c. cramer & co. The carbon weaving mill A look at the weaving mill run by C. Cramer & Co. Die Kettfäden passieren an der Webmaschine den Streichbaum, die Lamellen und das Webgeschirr. Blick in eine moderne Weberei. Die Fertigung läuft in drei Schichten, also rund um die Uhr. On the power loom the warps pass the back beam, the droppers, and the loom harness. An insight into a modern weaving mill. Production runs in three shifts, i.e.
7 Das fertige Gewebe, im Bild ein Kohlenstoffgewebe in Atlasbindung. The ready-made fabric, shown here is a satin-weave carbon fabric. Der Weber kontrolliert die Fertigung. Die Herstellung von Verstärkungsgeweben für die Luft- und Raumfahrt erfordert hochqualifizierte Mitarbeiter. The weaver inspects the production. The manufacture of reinforcing fabrics for aerospace applications requires highly skilled personnel. Ausg./Ed. 06.
71 Gewebe für die luft- und Raumfahrt Fabrics for aerospace applications Die Angaben zu den Aramid- und Kohlenstoff-Filamentgeweben entsprechen den Mindestwerten nach Werkstoff-Leistungsblatt. In den Werkstoff-Leistungsblättern (WLB) ist jeder Werkstoff genauestens spezifiziert. The specifications given here for both the aramid and the carbon filament fabrics correspond to the minimum values in accordance with the WLB (material specifications sheet for aerospace applikations).
Ausg./Ed. 06.
71 glas, Gewebe glass, fabrics Glass fabrics Glasgewebe Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Dr.-Ing. Herbert Funke Laboratorium für Konstruktionslehre Leiter Prof. Dr.-Ing. W. Jorden Universität-GH Paderborn Vorgaben: Specifications: rFaser = 2,6 g/cm3 rHarz = 1,1 g/cm3 (spez. Fasergewicht) (spez.
7 Glasgewebe 163 g/m² Bestell-Nr. 190 115-X / 120-X Glass fabric 163 g/m² Order no. 190 115-X / 120-X Glasgewebe 110 g/m² Bestell-Nr. 190 114-X Glass fabric 110 g/m² Order no. 190 114-X Faservolumenanteil Fiber volume fraction 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % Harzverbrauch g/m² 112 Resin consumpt. 89 72 59 48 39 32 161 128 103 84 69 56 46 Laminatdicke mm 0,129 0,111 0,097 0,087 Lam. thickn.
glas, gelege und Matten glass, Non-crimp fabrics and mats Glass non-crimp fabrics Glasgelege Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Glasfgewebe 220 g/m² Bestell-Nr. 190 157-X Glas s fabric 220 g/m² Order no. 190 157-X Faservolumenanteil Fiber volume fraction 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % Harzverbrauch g/m² 217 Resin consumpt.
7 Glass mats Glasmatten Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Glasmatte 225 g/m² Bestell-Nr. 190 165-X Glass mat 225 g/m² Order no. 190 165-X Faservolumenanteil 20 % Fiber volume fraction Glasmatte 450 g/m² Bestell-Nr. 190 170-X Glass mat 450 g/m² Order no. 190 170-X 25 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 20 % 25 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % Harzverbrauch g/m² 381 Resin consumpt.
71 Aramid- und Kohlegewebe aramid and carbon fabrics Aramid fabrics Aramidgewebe Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Dr.-Ing. Herbert Funke Laboratorium für Konstruktionslehre Leiter/Supervisor: Prof. Dr.-Ing. W. Jorden Universität-GH Paderborn Specifications: Vorgaben: 178 = 1,45 g/cm3 = 1,1 g/cm3 (spez. Fasergewicht) (spez.
7 Aramidgewebe 158 g/m² Bestell-Nr. 190 204-X Aramid fabric 158 g/m² Order no. 190 204-X Aramidgewebe 170 g/m² Bestell-Nr. 190 205-X Aramid fabric 170 g/m² Order no. 190 205-X Faservolumenanteil Fibre volume fraction 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % Harzverbrauch g/m² 288 Resin consumpt. 229 185 151 123 101 82 301 240 193 158 129 106 86 Laminatdicke Lam. thickn.
Aramid- und Kohlegewebe aramid and carbon fabrics Kohlegewebe 160 g/m² Bestell-Nr. 190 225-X Carbon fabric 160 g/m² Order no. 190 225-X Faservolumenanteil Fibre volume fraction 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % Harzverbrauch g/m² 231 Resin consumpt. 184 148 121 99 81 66 294 234 189 154 126 103 84 Laminatdicke Lam. thickn.
7 carbon non-crimp fabrics Kohlegelege Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Kohle/Glas-Gewebe Carbon-glass fabric Vorgaben: rFaser = 1,78 g/cm3 rFaser = 2,60 g/cm3 rHarz = 1,10 g/cm3 Specifications: rfibre = 1,78 g/cm3 rfibre = 2,60 g/cm3 rresin = 1,10 g/cm3 (specific gravity of the carbon fibres) (specific gravity of the glass fibres) (specific gravity of the resin/hardener (spez. Gewicht der Kohlefaser) (spez.
71 Aramid- und Kohlegewebe aramid and carbon fabrics Kohlegelege 250 g/m² biaxial Bestell-Nr. 190 256-X Carbon non-crimp fabric 250 g/m² biaxial Order no. 190 256-X Kohlegelege 250 g/m² UHM Bestell-Nr. 190 254-X Carbon non-crimp fabric 250 g/m² UHM Order no.190 254-X Faservolumenanteil Fibre volume 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % 30 % 35 % 40 % 45 % 50 % 55 % 60 % Harzverbrauch g/m² 377 Resin consumpt.
Hybridgewebe Hybrid fabrics 7 Hybrid fabrics Hybridgewebe Harzverbrauch, Laminatdicken und Laminat-gewicht Resin consumption, laminate thickness and laminate weight Dr.-Ing. Herbert Funke Laboratorium für Konstruktionslehre Leiter: Prof. Dr.-Ing. W. Jorden Universität-GH Paderborn Die Tabellen enthalten die theoretisch ermittelten Werte für Harzverbrauch, Laminatdicke und Laminatgewicht bei der Verarbeitung der von R&G lieferbaren Hybridgewebe.
rovings rovings Die Verarbeitung mit Hilfe einfacher Tränkvorrichtungen Processing with the aid of simple impregnating systems Rovings sind unidirektionale, endlose Faserstränge, die auf Spulen geliefert werden. Aus Rovings lassen sich Profile ziehen, Rohre und Behälter wickeln und Verstärkungen, z.B. zur Krafteinleitung laminieren. Rovings are unidirectional, continuous fibres that are delivered on reels. Rovings are used to draw sections, wind pipes and receptacles, and laminate rein-forcements, e.g.
7 Wickelautomat Foto: Bakelite Automatic winding machine 185 Wickelteile Ausg./Ed. 06.09 Änderungen vorbehalten / Modifications reserved Winding parts Einfache preiswerte Eigenkonstruktion einer Rovingtränkvorrichtung für den Flugzeugbau Foto: lt. Funke Simple, low-priced personal invention of a roving impregnating system for the construction of a light plane R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Phone +49‑(0)‑180 55 78634* • Fax +49‑(0)‑180 55 02540-20* • www.r-g.
füllstoffe fillers füllstoffarten und anwendungen 186 filler types and applications Füllstoffe sind Zusatzstoffe, die bestimmte Eigenschaften der Harze verändern, beispielsweise die Härte und Abriebfestigkeit, die chemischen, mechanischen, thermischen und elektrischen Werte. Die Vernetzung des Bindemittels (Harz) sollte durch die Zugabe von Füllstoffen nicht behindert werden. Es ist deshalb besonders darauf zu achten, daß die Zusätze keine Feuchtigkeit enthalten.
7 Densities of typical resin fillers compared Vergleich der Dichte typischer Harzfüllstoffe Dichtevergleich Einheit Wert Density comparison Unit Value Glas-Bubbles g/cm3/20 °C 0,21 / 0,12 Glass bubbles g/cm3/20 °C 0,21 / 0,12 Talkum g/cm3/20 °C 2,7 Talc g/cm3/20 °C 2,7 Holzmehl g/cm3/20 °C 1,2 Wood flour g/cm3/20 °C 1,2 Glasfasern g/cm3/20 °C 2,4 Glass fibres g/cm3/20 °C 2,4 Baumwollflocken g/cm3/20 °C 1,54 Cotton flock g/cm3/20 °C 1,54 Alupulver g/cm3/20 °C 2,7 Alumi
