Handbuch - Suter Swiss-Composite Group

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Jahrtausendelang waren natürliche Werkstoffe Grundlage menschlicher
Existenz. Kleidung, Werkzeuge und Gebrauchsgegenstände wurden aus Leder,
Metall, Stein, Ton und anderen Naturstoffen hergestellt.
Werkstoffe wie Porzellan, Glas und Metall-Legierungen wurden meist mehr
oder weniger zufällig entdeckt.
Die Verknappung und Verteuerung wichtiger Rohstoffe löste zu Beginn des
20.Jahrhunderts eine intensive Suche nach synthetischen (künstlich hergestellten)
Ersatzwerkstoffen aus. Grundlegend veränderte technische Anforderungen
der schnell wachsenden Industrie konnten mit Naturstoffen allein
nicht mehr erfüllt werden.
Aus natürlichen Rohstoffen wie Kohle, Steinkohlenteer, Erdöl und Erdgas wurden
im Laufe der Zeit unzählige Verbindungen, darunter zahlreiche Kunststoffe,
synthetisiert.
1) Das Ziel, verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund
zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften und Synergieeffekte zu erzielen,
ist in der Natur Gang und Gebe. Der Schnitt durch eine Paracortex-Zelle
von Merinowolle und der Querschliff eines unidirektionalen kohlenstoffaserverstärkten
Epoxydharzes (Cf-EP) zeigen ähnliche Strukturen wie der Querschnitt
von Cf-EP und der Längsschnitt eines Bambusstabes. Nicht nur bei der
Mikrostruktur kann die Natur als Vorläufer für Faserverbund-Kunststoffe
angesehen werden, sondern auch bei der Anwendung von Prinzipien des
Leichtbaus.
Werkstofftechnische Gründe für die Verwendung von Fasern als Werkstoffelemente
ergeben sich aus den vier Paradoxen der Werkstoffe:
1) (nach Ehrenstein: Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)
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KUNSTSTOFFE EINE ÜBERSICHT
PLASTICS AN OVERVIEW
1. Paradoxon des festen Werkstoffes
Die wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedriger
als die theoretisch berechnete (F. Zwicky).
2. Paradoxon der Faserform
Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als
das gleiche Material in anderer Form und je dünner die Faser, umso
größer ist die Festigkeit (A. A. Griffith).
3. Paradoxon der Einspannlänge
Je kleiner die Einspannlänge, umso größer ist die gemessene Festigkeit
einer Probe/Faser.
4. Paradoxon der Verbundwerkstoffes
Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die
die schwächere Komponente zerbrechen würde, während von der
stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen
Festigkeit übernommen werden kann, als wenn sie alleine
belastet würde (G. Slayter).
For thousands of years natural materials had formed the basis of human
existence: clothing, tools, and articles of consumption, all were made from
leather, metal, stone, clay, or other substances obtained directly from nature.
In contrast, most of the manmade materials such as porcelain, glass, and
metal alloys were discovered more or less by accident.
At the beginning of the twentieth century, dwindling deposits of important
resources and their escalating prices triggered off an intensive search for
synthetic, or manmade, substitute materials. The demand from the fast-growing
industries was increasing in line with fundamental technical changes and
could no longer be satisfied with natural materials alone.
In time, countless compounds, including a high number of plastics, were
synthesised from naturally occurring raw materials such as coal, coal tar,
crude oil, and natural gas.
1) The object behind combining different materials to form a composite with
enhanced properties and synergetic effects is par for the course in nature. A
section through a paracortical cell in merino wool or through a bamboo stem
exhibits structures similar to the micrograph of a unidirectional carbon-fibrereinforced
epoxy resin (CF-EP). Not only in the microstructure can nature be
seen as the progenitor of fibre-reinforced plastics, but also in the application
of lightweight design principles.
Why material scientists integrate fibres in materials to such advantage can be
answered by the following four paradoxes of engineering materials.
1. The paradox of the solid material
The actual strength of a solid material is very much lower than the
calculated theoretical value (F Zwicky).
2. The paradox of the fibre form
The strength of a material in fibre form is many times higher than that
of the same material in another form, and the thinner the fibre, the
greater the strength (A A Griffith).
3. The paradox of the free clamped length
The shorter the length between the clamps, the greater the strength
measured on the test piece (fibre).
4.The paradox of composites
When taken as a whole, a composite can withstand stresses that
would fracture the weaker component, whereas the composite’s
stronger component can exhibit a greater percentage of its theoretical
strength than when loaded singly (G.Slayter).
1) (Data based on Ehrenstein’s Faserverbundkunststoffe available from Hanser Verlag)
R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH D-71111 Waldenbuch Fon 0 71 57/53 04 60 Fax 0 71 57/53 04 70 www.r-g.de
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