4 Verbundwerkstoffe

Die Forderung nach immer leichteren aber gleichzeitig auch schadenstoleranten Bauteilen hat die Faserverbundwerkstoffe in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Mit der Realisierung solcher Leichtbauweisen will man vor allem primäre Energien einsparen. Neben diesem ökonomischen/ökologischen Aspekt wird aber auch dem Streben nach einer immer höheren technischen Leistungsfähigkeit der eingesetzten Werkstoffe Rechnung getragen: Außer dem schadenstoleranten Bruchverhalten liegt ein Hauptaugenmerk vor allem auf einer hohen thermischen, tribologischen und chemischen Beständigkeit, weshalb neben den faserverstärkten Kunststoffen auch immer mehr die Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix an Bedeutung gewinnen.

Vielfältige Kombinationen und Konfigurationen leistungsfähiger Matrix- und Fasermaterialien werden zur Weiterentwicklung hochwertiger verstärkter und gefüllter Verbundwerkstoffe untersucht. Die Verstärkung der Matrices geschieht hauptsächlich mit Lang- und Kurzfasern in Form von Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, und keramischen Fasern. Die Langfasern werden in Form von Rovings oder textilen Flächen (Gelege, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Geflechte und Vliese) weiterverarbeitet, wobei für die Erzeugung von 3D-faserverstärkten Verbundwerkstoffen die textilen Flächen im Hinblick auf bestimmte Bauteileigenschaften optimiert werden.

Zur Einbringung der Fasern in die Matrix kommen die verschiedensten Verfahren zur Anwendung: Neben der Flüssigphaseninfiltration von organischen und metallorganischen Polymeren (Autoklaventechnik, Wickeln, Infiltration usw). werden auch die klassischen keramischen Masseaufbereitungstechniken (Extrusion und Aufbaugranulation von Kurzfasern und pulverförmigen Rohstoffen) eingesetzt, wobei bekannte Verfahren durch Optimierung der Prozeßparameter weiterentwickelt bzw. Verfahren und Anlagen neu entwickelt werden. Die Infiltration von organischen Precursoren dient bei Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix oft als Zwischenschritt, zur Herstellung eines Prepregs. Dieses wird nach einer Pyrolyse mit metallischen Schmelzen keramisiert (Reaktionssintern, z.B. bei C-Faser/SiC-Verbunden). Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe werden die Wechselwirkungen zwischen den Fasern und der Matrix eingehend studiert und auch das Faser-Matrix-Interface gezielt verändert(z. B.: durch Modifizierung von Faseroberflächen durch Strahlen-, Plasmabehandlung oder Faserbeschichtungen).

Neben Proben werden auch großformatige, komplexe Bauteile hergestellt, an denen umfangreiche zerstörungsfreie und zerstörende statische und dynamische Prüfmethoden in einem weiten Temperaturbereich angewandt werden. Auch die Möglichkeiten des Recyclings von Faserverbundwerkstoffen durch Trennung der Werkstoffkomponenten und deren Wiederverarbeitung sind zu einem weiteren wichtigen Forschungsthema geworden.

Nr.	Werkstoff	Themen / Methoden	Anwendungen	Institut
4.1	Kohlenstoffaserverstärkte SiC-Keramik	- Masseaufbereitungstechnik (Herstellung schüttfähiger Granulate aus C-Kurzfasern und Kohlenstoff- bzw. keramischen Pulvern) - Formgebung (Abformen der Granulate bis hin zu großformatigen, komplexen Bauteilen) - Sintertechnik (Optimierung des Reaktionssinterprozesses durch den Einsatz intermetallischer FeSi-Schmelzen) - Charakterisierung (...des Entbinderungsprozesses durch thermische Analyse; ...der Morphologie des Grünlings durch Hochdruck-Hg-Porosimetrie)	Friktionswerkstoffe im Automobilbau	IFKB Prof. Gadow
4.2	Pigmentierte Polymere	- mechanische und optische Eigenschaften von Beschichtungen - Pigment-Matrix-Wechselwirkungen	- Beschichtungswerkstoffe (Lacke, u.a)	ITC II/FPL Prof. Eisenbach Dr. Schauer
4.3	Polymer-, Polymer-Composite, verstärkte Kunststoffe	- molekulare Verstärkung durch Blendbildung zwischen stäbchenförmigen Molekülen - Ionomerblends	- verstärkte Kunststoffe mit extremer Festigkeit und Zähigkeit - Konstruktionswerkstoffe - Automobilbau -Luft- und Raumfahrt	ITC II/ Prof. Eisenbach
4.4	Faserverstärkte Kunststoffe	- Kennwertermittlung und Qualitätssicherung nach genormten Prüfvorschriften, besonders im Hinblick auf eine Zulassung als Luft- und Raumfahrtwerkstoffe; Belastung: statisch und dynamisch Temperatur: -80°C bis 200°C relative Feuchtigkeit bis zu 98% Zug, Druck, Biegung, Torsion (auch kombiniert mit Zug oder Druck), Kerbzug, Lochleibung, Schälung, Kriechen, Impact mit Restdruckfestigkeit, Rißzähigkeiten (auch theoretisch) - Optimierung der Fertigungsprozesse im Autoklaven und auf Wickelmaschine - Bearbeitungstechniken - Bauweisenuntersuchung und -optimierung - Thermoelastische Spannungsanalyse mit SPATE 9000 - Bestimmung der Energiesetzungsraten unter den Modi I, II und mixed mode (FEM-Analyse) - Entwicklung eines Schadensmodells zur Beschreibung des Delaminationswachstums	- Luft- und Raumfahrt - Fahrzeugbau - Roboter - Bootsbau - Entwicklung schadens-toleranter Leichtbauteile - Eigenstartfähiges, mann-tragendes Solar-Motor-Segelflugzeug	IFB Prof. Arendts (7 Mitarbeiter)
4.5	3D-glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe	- Experimentelle und theoretische Impact-Crashsimulation	- Schadenstolerante Bauteile	IFB Prof. Arendts (2 Mitarbeiter)
4.6	Faserverstärkte Keramik (C/C-SiC)	- Eigenschaften bei höchsten Temperaturen unter ein bzw. mehrachsiger Beanspruchung (Kriechen, Ermüden, Kriechermüdung,HCF) - Stoffgesetzentwicklung - Schädigungshypothesen	- Luft- und Raumfahrt - Hitzeschilder - Brenndüsen - Ofenbau - Wärmetauscher	MPA Prof. Kussmaul Dr. Maile (2 Mitarbeiter)
4.7	Faserverstärkte Keramiken	- Experimentelle Untersuchungen bis 1600°C (Festigkeiten und Oxydationsverhalten) - Festigskeitshypothesen	- Luft- und Raumfahrt - heiße tragende Strukturen - Triebwerke	IFB Prof. Arendts (1 Mitarbeiter)
4.8	Faserverstärkte Kunststoffe mit eingebetteten Piezo-Sensoren	- Ermittlung von außen wirkender Belastungen	- Adaptive Strukturen	IFB Prof. Arendts (1 Mitarbeiter)
4.9	Aramide,Duroplaste, Epoxide	- Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung durch Oberflächenmodifizierung der Fasern (Strahlenbehandlung, Plasmabehandlung)	- Hochleistungsfaserver-bundwerkstoffe für Flugzeug-, Maschinen-, Behälterbau, Sportgeräte	ITC Prof. Oppermann (ca. 3 Mitarb.)
4.10	Fasern (Keramik, Metall, Polymere)	- Herstellung von textilen Flächen für Verstärkung (Gewebe, Gestrick, Gewirk, Geflecht, Gelege, Wickel, Vlies)	- Automobilbau - Maschinenbau - Luft- und Raumfahrt - Medizintechnik - chemischer Apparatebau	ITV Prof. Egbers Dr. Plank Dr. Bühler Dr. Ehrler Dr. Weinsdörfer (ca. 9 Mitarb.)
4.11	Polymere, Fasern	- Faser/Matrixkombination: - Prepreg-Herstellung (Schmelzimprägnierung) - Hybridgarn - Pultrusion - Verpressen	- Automobilbau - Maschinenbau - Freizeitbereich - Medizintechnik	ITV Prof. Egbers Dr. Planck Dr. Weinsdörfer (ca. 2 Mitarb.)
4.12	Polymere, Keramik	- Recycling von Faserverbundstoffen: Trennung der Komponenten, Wiederverarbeitung (Extrusion, Spritzguß, Verpressen)	- Automobilbau - Freizeitbereich	ITV Prof. Egbers Dr. Ehrler (ca. 2 Mitarb.)
4.13	Polymere, Faserverbundwerkstoffe, Keramik	- Charakterisierung: mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (Zug, Druck, Biegung, Torsion, Kriechen, Ermüdung) - chemische Eigenschaften: (Molgewicht, Dichte, Gaschromatographie, Atomadsorptionsspektroskopie, Infrarotspektroskopie / ATR) - Oberflächenflächenstruktur: REM, Lasermikroskop, Mikroskopie, Rauhigkeit	- technische Textilien - Maschinenbau - Medizintechnik - Automobilbau - Luft- und Raumfahrt	ITV Prof. Egbers Dr. Planck (ca. 3 Mitarb.)
4.14	Gefüllte oder verstärkte Thermoplaste	- Aufbereitung gefüllter bzw. verstärkter Thermoplaste mittels Zweiwellenknetern - Direktverarbeitung von Endlosrovings - Verfahrens- und Anlagenentwicklung zur Verarbeitung von kurz- und langfaserverstärkten Thermoplasten (PP, PA, PEEK, PEEKK) - Urformen kohlenstoffaserhaltiger Thermoplaste - Studium der Faser/Matrix-Wechselwirkungen - Rheologische Charakterisierung faser-verstärkter Thermoplaste	- Automobilsektor - Technische Formteile - Bauteile für Flugzeugbau - Halbzeuge	IKT Prof. Fritz Dipl.-Ing. Grünschloß
4.15	Faserverstärkte Polymere	- Verstärkung durch Gewebe und Gestricke	Hochfeste Bauteile	IKP Prof. Eyerer Dipl.-Ing. Schäfer Dipl.- Ing. Gittel (2 Mitarbeiter)
4.16	Faserverstärkte Polymere	- Faserorientierung als Funktion der Verarbeitung, Messung mit bildanalytischen Methoden	- Bauteile: Steifigkeit, thermische Ausdehnung, Verzug und Eigenspannungen	IKP Prof. Eyerer Dr. Fischer Dipl.- Ing. Ludwig (2 Mitarbeiter)
4.17	Kurz- und langfaser-verstärkte Polymere, Laminate	- Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren für Faserorientierungsanalyse und Schädigungserkennung (z. B. von Delaminationen und Impact)	- Qualitätssicherung bei Herstellung und Instandhaltung	IKP Prof. Busse Dipl. Phys. Diener Dipl.-Ing. Ritter M.Sc. Wu (3 Mitarbeiter)
4.18	Verstärkte Polymere	- Fasern mit verdickten Enden	- Hochfeste Bauteile	IKP Prof. Eyerer Dipl.-Ing. Jennewein (1 Mitarbeiter)