Leichtbauverbundstoffe

Leichtbauverbundstoffe sind faser- oder teilchenverstärkte Werkstoffe, die durch die Kombination eines Trägermatrixmaterials mit einer Verstärkungsphase eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht erreichen. Typischerweise unterscheiden sie Polymermatrix-Verbundstoffe (PMCs), Metallmatrix-Verbundstoffe (MMCs) und Keramikmatrix-Verbundstoffe (CMCs). Durch die Abstimmung von Matrix und Verstärkung lassen sich Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Schadensresistenz anwendungsbezogen einstellen.

Gängige PMCs sind faserverstärkte Polymere wie CFRP, GFRP und AFRP. Matrizen können Thermosets (Epoxid, Phenolharz) oder Thermoplasten (PEEK, PAI) sein. MMCs verwenden Metallmatrixen wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, oft mit Kohlenstoff- oder Siliziumcarbid-Verstärkungen. CMCs nutzen keramische Matrizen, verstärkt durch Fasern wie SiC oder Al2O3.

Herstellungsverfahren umfassen Handlay-up, Prepreg-Verarbeitung, Resin Transfer Molding (RTM) und Autoklav-Verfahren. MMCs/CMCs erfordern Pulvermetallurgie, Infiltrationstechniken oder keramische Reaktionsprozesse. Die Eigenschaften sind stark anisotrop und richten sich nach Faserorientierung und Verarbeitung.

Vorteile sind hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, gute Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit, Formfreiheit und Gewichtseinsparungen, die Kraftstoffverbrauch und Emissionen in Verkehrsanwendungen senken. Nachteile sind höhere Kosten, komplexe Verarbeitung, Reparierbarkeit und Recycling sowie End-of-Life-Herausforderungen.

Anwendungen finden sich in Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Windkraft, Sport- und Freizeitgeräten sowie im Bauwesen. Forschungsthemen umfassen Schadensausbreitung, nicht-invasives Prüfen, Recyclingtechnologien und Lebenszyklusanalysen.