A. Schmohl/K. Adamow/N. Martens/K. Breuer · Zum Potenzial von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen in Bauanwendungen
HT-Typ (high tensile) bezeichnet wird und als Standardfaser gilt, sowie die weniger duktile, dafür hochsteife C-Faser (HM-Typ; high modulus). Höhere Steifigkeiten werden mit steigenden Temperaturen in den Carbonisierungs- bzw. Graphitisierungsprozessen erzielt und gehen einher mit einem Verlust an Zugfestigkeit und einer reduzierten Flexibilität (Tabelle 1). Durch die graphitartigen Strukturen entstehen weitere spezielle Eigenschaften der C-Faser. Dazu gehören die ausgeprägte chemische Beständigkeit und der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient, der in Faserrichtung sogar negative Werte annehmen kann. Die C-Fasern haben eine gewisse elektrische und thermische Leitfähigkeit, die im Vergleich zu anderen Materialien im Mittelfeld liegt, d. h., es gibt sowohl Materialien mit deutlich höherer als auch mit wesentlich geringerer elektrischer bzw. thermischer Leitfähigkeit. Die C-Faser ist dauerschwingfest, jedoch knickempfindlich und wird zur weiteren Verarbeitung mit einer Oberflächenschicht, der Schlichte, umhüllt. Zusätzlich soll die Schlichte haftvermittelnd zwischen C-Faser und Matrix wirken [6] [7] [10]. Im Bauwesen stellen Glasfasern eine Konkurrenz zu C-Fasern dar, weil sie − bei einer Dichte zwischen Aluminium und C-Fasern − wesentlich kostengünstiger sind [11]. Die Standard-Glasfaser (E-Typ) mit guten elektrisch isolierenden Eigenschaften ist mit einem Marktanteil von 90 % weit verbreitet. Für bessere mechanische Eigenschaften wird der R-Typ verwendet. Trotz der guten mechanischen Eigenschaften eignen sich diese Glasfasern nicht für den unmittelbaren Einsatz im Beton, denn sie sind feuchteempfindlich und degradieren besonders schnell bei Kontakt mit alkalischen (z. B. Beton) oder sauren Medien. Als Alternative bieten sich dort die alkaliresistenten (AR-)Glasfasern an, die einen hohen Zirkoniumdioxid-Anteil enthalten. Die intensiv gelbe Aramidfaser ist die Verstärkungsfaser mit der geringsten Dichte. Als Gewebe oder in einer Kunststoffmatrix eingebettet hat das Material besonders gute Impakteigenschaften. Es wird für Schutzkleidung, -anzüge und -zubehör, Seile und Bänder eingesetzt. In Kunststoff oder in Beton eingebettet wirkt sich die starke Feuchtigkeitsaufnahme (ca. 7 Gew.-%) und die damit verbundene
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Quellung und Strukturschwächung nachteilig aus. Zudem sind sie nicht UV-beständig und müssen deshalb zusätzlich geschützt werden [6] [7].
2.1.2 C-Fasern im Verbund Über 90 % der produzierten C-Fasern finden Anwendung in polymeren Matrices. Davon nehmen die Duromere den Hauptanteil ein [1]. Diese Kunststoffe, auf Basis von z. B. Epoxid- oder Polyesterharzen, härten zu dichten, hochvernetzten Polymernetzwerken aus. Im ausgehärteten Zustand zeichnen sie sich durch hohe Festigkeiten und Steifigkeiten aus. Dementsprechend sind sie wenig flexibel und spröde. Thermoplaste, wie z. B. Polyetheretherketone, sind Polymere mit ineinander verschlauften Makromolekülen. Sie sind schmelzbar und werden in der Schmelze verarbeitet. Im Vergleich zu den Duromeren sind sie zäher, jedoch häufig weniger steif [6] [7]. Sowohl C-faserverstärkte Duromere als auch C-faserverstärkte Thermoplaste finden breite Anwendung als Hochleistungswerkstoff für den Bau von Windkraftanlagen und Luftfahrzeugen. Im Bauwesen ist die Verwendung von mineralischen Matrices (z. B. Beton) üblich. Diese Matrices sind ebenfalls spröde, jedoch wesentlich druckfester. Elastomere und Fluorpolymere werden bisher selten als Matrix für Faserverbundkunststoffe (FVK) eingesetzt. Elastomere zeichnen sich dadurch aus, dass sie unter Krafteinwirkung verformbar sind und ohne Belastung wieder in die ursprüngliche Form zurückkehren. Der große Vorteil von Fluorpolymeren ist ihre ausgeprägte Witterungsbeständigkeit. Die Matrix hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes. Sie hält die Fasern zusammen, gibt dem Bauteil Form und schützt die Fasern vor Umwelteinflüssen oder schädigenden Belastungen. Vor allem ist sie für die Kraftübertragung in die Faser und zwischen den einzelnen Fasern, die die Stärke und Steifigkeit des FVK bewirken, verantwortlich. Demnach ist die Bindung zwischen Faser und Matrix ausschlaggebend für die mechanischen Eigenschaften der FVK. Die Ausrichtung der Fasern hat einen wesentlichen Einfluss auf Werkstoffeigenschaften in verschiedene Raumrichtungen. Die Orientierung der Fasern (Bild 2) kann
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Bild 2. Draufsicht und Querschnitt von C-Faser-Schichten für CFK-Bauteile; a) unidirektionales Gelege (orthotrop); b) biaxiales Gelege mit 0° und 90° Ausrichtung (anisotrop); c) Gewebe in Leinwandbindung (anisotrop); d) Vlies bzw. Wirrmatte (quasi-isotrop) (© Fraunhofer IBP) Fig. 2. Plan view and cross section of carbon fibre layers used for CFRP in construction; a) unidirectional mat (orthotropic); b) biaxial mat, 0° and 90° orientation (anisotropic); c) plain weave fabric (anisotropic); d) non-woven fabric (quasi-isotropic) (© Fraunhofer IBP)
Bauphysik 36 (2014), Heft 1
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