Manfred Flemming . Gerhard Ziegmann Siegfried Roth Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices Mit 200 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heide1berg GmbH Professor Dr. Manfred Flemming ETH Zurich Institut fUr Konstruktion und Bauweisen Tannenstrasse 3 CH -8092 Zilrich Dr. Gerhard Ziegmann ETH Zilrich Institut fUr Konstruktion und Bauweisen Bauweisenlabor Wagistrasse 13/18 CH -8052 Schlieren Dipl.-Ing. FH Siegfried Roth Tobelstra8e 17 D - 88682 Salem ISBN 978-3-642-63352-2 ISBN 978-3-642-57776-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-57776-5 CIP-Eintrag beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiltzt. Die dadurch begrilndeten Rechte, insbeson dere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.Sep tember 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiltungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 Ursprilnglich erschienen bei Springer-V erlag Berlin Heidelberg New York 1995 Softcover reprint ofthe hardcover lst edition 1995 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daR solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dilrften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fUr die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat ilbernehmen. Es empfiehlt sich, fUr die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtli nien in der jeweils gilltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren SPIN: 10126793 62/3020 -5 43210 - Gedruckt aufsaurefreiem Papier Dieses B uch widmen wir unseren geduldigen Frauen Christa Gabriele Elisabeth Vorwort Dieses Buch ist aus der Uberzeugung entstanden, daB die Faserverbundwerk stoffe einer groBen Zukunft entgegensehen. Absehbar entwickeln sich zuktinftige Werkstoffe zu komplizierten Stoffsystemen mit mehreren Funktionen. Der Umgang solcher Systeme verlangt ein tiefes Verstandnis der Stoff komponenten und des Gesamten. Deshalb werden die derzeit und zuktinftig ver wendeten Fasern und Matrixsysteme naher beschrieben. Dabei wird versucht verstarkt auf Probleme einzugehen, die das Verhalten dieser Werkstoffe wesentlich mitbestimmen. Der Bereich der Verstiirkungsfasern umfaBt neben den Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern auch polymere Fasersysteme, denen eine groBe Zukunft fUr Hybridanwendungen in belasteten Strukturen nachgesagt wird. Zusatzlich werden heute bekannte Naturfasern besprochen sowie deren Potential diskutiert und mit bekannten Synthesefasern verglichen. SchlieBlich seien noch exotische Keramikfasern erwahnt, die bei Hochtempera turanwendungen - zusammen mit entsprechenden Matrices - verstiirkt Eingang finden. Die Beschreibung der Matrices beinhaltet schwerpunktmaBig die polymeren Systeme, die den tiberwiegenden Anteil in der Anwendung ausmachen. Neben Polyester- und Epoxidharzen werden Hochtemperatursysteme wie Polyimide und Bismaleinimide diskutiert sowie die bekannten Phenolharze erfaBt. Selbstverstiindlich umfaBt das Buch die immer bedeutender werdenden thermo plastischen Polymere, die das Einsatzspektrum und die Bauweisentechnologie ftir Faserverbunde betrachtlich erweitern k6nnen. Auch die heute exotischen Randbereiche der keramischen und metallischen Matrixysteme werden betrachtet, urn dem Leser einen gesamthaften fundierten Uberblick tiber die Werkstoffe in der Faserverbundtechnologie zu prasentieren. Dieses Buch wird in Ktirze erganzt durch weitere Werke, die vor aHem die Bauweisen und die Fertigungstechniken enthalten. Ein weiterer Schwerpunkt wird sich mit der DarsteHung und Diskussion der mechanisch/physikalischen Eigen-schaften befassen. Die Autoren sind seit vielen Jahren an vorderster Front im Bereich der Faserverbundwerkstoffe tatig, in Industrie und Hochschule. Das vorhandene fundierte Wissen ist in diesem Buch umgesetzt. Es dient sowohl als Lehr- als auch als Nachschlagewerk fUr das stetig wachsende Gebiet der Faserverbund bauweisen. Unser Dank gilt insbesondere unseren Mitarbeitern Frau G6tz, Herrn Hinter mann, Herrn Arias und Herrn Christen sowie deren Hilfsassistenten, die ganz wesentlich am Entstehen dieses Buches beteiligt waren. ZUrich/Schlieren, im Friihjahr 1995 M. Flemming S. Roth G. Ziegmann Inhaltsverzeichnis 1. Einf"lihrung ........................................................................ 1 2. Faserarten .......... ............................ ................................... 6 2.1 KohlenstotTasern ............................................................... 6 2.1.1 Kohlenstoffasem aus PAN.................................................. 9 2.1.2 Kohlenstoffasem aus Pech ................................................. 18 2.1.3 Zusammenfassung .............................................................. 30 2.2 Keramikfasern ................................................. ................. 32 2.2.1 Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Wolfram .......... 33 2.2.2 Silizium-Karbidfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff ...... 37 2.2.3 Kemlose Siliziumkarbidfasem ........................................... 39 2.2.4 Aluminiumoxidfaser ........................................................... 43 2.2.5 Sonstige keramische Fasem ............................................... 47 2.2.5.1 Quarzglasfasem ............................................................... ~.. 47 2.2.5.2 Weitere Oxidfasem ............................................................ 48 2.2.5.3 Borkarbidfasem .................................................................. 49 2.2.5.4 Siliziumkarbid-Nitridfasem ................................................ 49 2.2.5.5 Bomitridfasern ............ ..... ................................................... 49 2.3 Glasfasern .......................................................................... 51 2.3.1 Struktur der Glasfasem ....................................................... 52 2.3.2 Herstellung der Glasfasem .......... ....................................... 54 2.3.3 Glasarten .............................. ... ............................................ 57 2.3.4 Eigenschaften der Glasfasem ...................... ....................... 58 2.3.5 Oberflachenbehandlung der Glasfasem .............................. 64 2.4 Synthesefasem ................................................................... 67 2.4.1 Aramidfasern ................. ......................... ........... ................. 73 2.4.2 Polyethylenfasem ............................................................... 100 2.4.3 Technische thermoplastische Fasem .................................. 109 2.4.3.1 Polyamidfasem (Nylon 6) ................................................... 111 2.4.3.2 Polyesterfasern .................................................................... 113 2.4.3.3 Polyethylenfasem ............................................................... 115 2.4.3.4 Polyetheretherketonfasem (PEEK) ................................... 115 2.4.3.5 Fliissigkristalline Polyesterfasem ....................................... 116 2.5 Borfasem ........................................................................... 119 2.5.1 Borfasem mit Kemfaden aus Wolfram .............................. 122 2.5.2 Borfasem mit Kemfaden aus Kohlenstoff .......................... 128 2.5.3 Modifizierte Borfasem ........................................................ 129 2.5.4 Zusammenfassung .............................................................. 130 2.6 Hohlfasern ......................................................................... 132 2.6.1 Hohlglasfasem .................................................................... 135 2.6.2 Hohlkohlenstoffasem .......................................................... 139 2.6.3 Hohle Zellulose-und Polymerfasem .................................. 144 VIII Inhaltsverzeichnis 2.7. Hochgeordnete Polymerfasern ........................................ 145 2.7.1 Herstellung der Polymere und der Fasem .......................... 146 2.7.2 Struktur und Morphologie der Fasem ................................. 148 2.7.3 Eigenschaften der hochgeordneten Polymerfasem ............. 150 2.8 Naturfasern ....................................................................... 155 2.8.1 Autbau der Pflanzenfasem ................................................. 158 2.8.2 Beschreibung der wichtigsten Faserpflanzen und der Verfahren zur Fasergewinnung ........................................... 160 2.8.2.1 Flachsfasem ........................................................................ 160 2.8.2.3 Sisalfasern ........................................................................... 166 2.8.2.2 Zusammenfassung .............................................................. 167 2.8.3 Faser- und Faseroberflachenbehandlungen zur Verbesse rung der Fasereigenschaften und der Haftung zwischen Faser und Harz ............................................................ ........ 169 2.8.3.1 Behandlung der Fasem und der Faseroberflache durch Acetylierungssysteme ......................................................... 169 2.8.3.2 Behandlung der Faseroberflache durch Beschichtung ... .... 173 2.8.3.3 MaBnahmen zur Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung von naturfaserverstarkten Thermoplasten ........................... 174 3. Matrixsysteme ................................................................... 180 3.1 Polymere Matrixsysteme .................................................. 181 3.1.1 Duroplastische Matrixsysteme ............................................ 185 3.1.1.1 Ungesattigte Polyesterharze (UP) ...................................... 186 3.1.1.2 Vinylesterharze (VE) .......................................................... 198 3.1.1.3 Epoxidharze (EP) ..................... ........................................... 199 3.1.1.4 Poly imide (PI) und andere hochtemperaturbestandige Duroplaste ........................................................................... 225 3.1.1.5 Phenolharze (PF) ................................................................ 237 3.1.2 Faserverstarkte Thermoplaste .................................... ......... 242 3.1.2.1 Polypropylen -PP ............................................................... 244 3.1.2.2 Polyamid (PA) .................................................................... 246 3.1.2.3 Polyethylenterephthalat (PET) ............................................ 251 3.1.2.4 Poly sulfone und -sulfid ..................................................... 253 3.1.2.5 Polyetherimid (PEl) ............................................................ 257 3.1.2.6 Polyaryletherketone (PAEK) .............................................. 258 3.1.3 Zusammenfassung .............................................................. 262 3.2 Sonstige Matrixsysteme .................................................... 264 3.2.1 Metallische Matrixsysteme .... ....... ............ ..... ....... ...... ........ 264 3.2.2 Faserverstarkte Keramiken ............ ..... ....... ......................... 268 3.2.3 Kohlenstoffaserverstarkter Kohlenstoff (C/C-(Carbonl Carbon)) .............................................................................. 273 Literaturverzeichnis ...... ....... ..... ....... ..... .................. ......... 278 Sachwortverzeichnis ................................................. ........ 293 Abkiirzungen ..................................................................... 308 1. Einfiihrung Unsere Gesellsehaft, unsere Wirtsehaft und Industrie werden aus teehniseher Sieht zunehmend von folgenden Teehnologiesaulen bestimmt [1.1]: Elektronik Kommunikation Gentechnologie Werkstoffe Die Saule "Werkstoffe" ist dabei die einzige mit langer Tradition. Nieht umsonst wurden ganze Epoehen wie Stein-, Eisen- und Bronzezeit nach Werkstoffen benannt. Diese Reihe setzte sieh fort mit Stahl und Aluminium, die bis heute bedeutende Industriekerne bilden. Wie Abb. 1.1 zeigt, durehlaufen Teehnologien wahrend ihren Lebenszyklen mehrere Phasen. Es ist leicht naehvollziehbar, daB etablierte Werkstoffe, Produkte und Systeme in der Reifephase der S-formigen Waehstumskurve liegen. Ohne Zufiihrung von Zukunftstechnologien werden diese Werkstoffe und deren Produkte auslaufen oder sieh in Billigiander verlagern. Ein typisches Beispiel hierzu ist der Billigstahl. In Industriestaaten produzierter Billigstahl ist in der Regel am Markt nieht mehr absetzbar. Er wird, wie hinreiehend bekannt, subventioniert. Davon ausgenommen sind Spezialstahle, also Legierungen, deren HerstelIung ein betrachtliehes Know-how erfordern. Dies gilt im Prinzip aueh filr Aluminium. Solche Spezialitaten verbessern die Produkte und verlangern damit deren Lebenszyklus, Abb. 1.2. Schrittmaeherteehnologien konnen die Reifephase deutlieh verlangern. Zur Zukunftsvorsorge milssen diese Sehrittmaeherteehno- Rcifcgrad Technologie anwendung Ba i technologicn (am Markt frei verfUgbar) Technologie entwicklung SchlUs eltechnologien (nicht frei am Markt kaufbar) Forschung Schrillmachertechnologien (for chung orientiert) 'J:--=. .....~ --r-------r-----r-----.~~ Zeit Wachstums phasc Abb. 1.1. Teehnologien als Funktion ihrer Position auf der Lebenszykluskurve [1.\ ] 2 1. Einftihrung __- ----- C -Produkt- - vcrbesserung B -Produktverbesscrung I _-. Kostcnoptimicrung ••• A -Produktauslnuf_ Neue Produkte aus Zukunftste•chn ologien Kemgeschafte von morgen? Zeit Schrillmachenechnologien sind Bindeglied zwi chen heutigen und morgigen Ge chanen: => tiltzung heutiger Produktc durch wir chaftlichere Produktion (z.B. Kilnst!. Intelligenz) => ucleu fUr neue, d.h. zukilnftige Geschafte => Forcierung gcschaftsfeldilbergrcifender Schriltmachenechnologien Abb. 1.2. Auswirkung von Zukunftstechnologien auf Produktzyklen (generell) [1.1] logien zeitIich, d.h. vor der Sattigung der Kurve B in Abb. 1.2 in den ProzeB eingespeist werden, sie sind also Bindeglied zwischen heutigen und morgigen Geschaften. Moderne Werkstoffe haben wirtschaftlich eine groBe Bedeutung. Nach [1.2] stimulieren neue Materialien das Wachstum in vielen Bereichen der Wirtschaft. Letztlich ist es sogar so, daB der Fortschritt in der Werkstoffkunde die Wachstumsgeschwindigkeit von Schltisselsektoren der Wirtschaft bestimmt. Die herausragende Bedeutung der Werkstoffe fUr die Geschiiftsfelder Luftfahrt, Raumfahrt, Verteidigungstechnik und Antriebe der Daimler-Benz Aerospace AG (DASA) zeigt Abb. l.3 aus [1.1]. Das Technologiefeld: WerkstoffelBauweisen -Flexible FertigungiFertigungsverfahren ist als einziges in allen DASA-Geschaftsfeldern vertreten. Werkstoffe bestimmen also maBgeblich unsere Zukunft. Es ist festzustellen, daB sich im Laufe der Zeit die Materialindustrie der Luft und Raumfahrt mehr und mehr von traditionellen monolithischen Werkstoffen wie Aluminium, Titan u.a. weg und zu den Verbundwerkstoffen hin entwickelt. Dieser ProzeB ist nicht abgeschlossen und wird noch Jahre andauern [1.3]. Ziel dieser Verbundwerkstoffe ist es, daB man aus wenigsten zwei unterschiedlichen Stoffen als Summenwirkung Verbundeigenschaften erzielt , die mit den einzelnen Komponenten alleine nicht erreicht werden [2.5]. Die erste Generation solcher Werkstoffe liegt bereits hinter uns. 1. Einfiihrung 3 Schlilsscllcchnologicfelder Anwendungsbr GB-L GB-R GB-V GB-A Mikro & Oploelcktronik 0 PhOIOnik 0 Hochempfindliche Radarsysleme 0 3 7 Hochleistungsrechner 0 Signatur-Erkennung 0 6 Daten & Bildverarbcitung 0 2 7 Energieumwandlung/A ufbcreitung 0 3 Supraleitung 0 Li fe Science 0 I Luftatmende Antriebc x 2 j Augphysikl Aerolhermodynamik x ~ I Augsystemi!lAvionik x _ l2_ I I Hochencrgieimpulslcchnik Waffcnsyslemumgebung x Obcrschall-Projektile und Antricbc j Materialien mit hohcr Encrgiedichlc I WerksloffelBauweisen 0 9 II 4 3 Aexibl. FertigungIFenigungsvcrfahre Simulation und Modellierung Passi ve Scn oren 0 6 6 I Kilnstl. Inlclligcnl. und Robolik Software-Enlwicklung/-Engineering Abb. 1.3. Verteilung und Haufigkeit der DASA-Schliisseltechnologien pro Geschaftsfeld bezogen auf SchliisseItechnologiefelder. GB-L Geschaftsbereich Luftfahrt, GB-R Geschaftsbereich Raumfahrt, G B -V Geschaftsbereich Ver teidigungstechnik, GB-A Geschaftsbereich Antriebe [1.1] Gias-, aramid- und kohlenstoffaserverstarkte Kunststoffe sind in der Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigungstechnik langst etabliert, aber auch in den Branchen auBerhalb dieser Geschaftsfelder. Momentan erleben wir bereits die 2. Generation von Verbundwerkstoffen, unter Verwendung besserer Verstarkungsfasern und Matrices. Die treibende Kraft hinter dieser Entwicklung ist der Wunsch der Industrie ihre Produkte noch we iter zu verbessern. Fiir die Luft- und Raumfahrt bedeutet dies letztlich schneller, hoher weiter, leichter. Dieses Ziel kann mit neuen wirkungsvolleren Werkstoffen erreicht werden. Eine Schliisselrolle spielen dabei die hochtemperaturfesten Verbundwerkstoffe zur Verbesserung der Triebwerke sowie der Strukturen von Hyperschalljlugzeugen. Der rasante Fortschritt auf dem Materialsektor ist durch das immer tiefere Verstandnis der N atur der Werkstoffe begriindet. So zeigte sich nach [1.4], daB Werkstoffe eine Art innere Architektur aufweisen - eine Hierarchie aufeinander aufbauenden Strukturebenen. Dadurch lassen sich die Unterschiede der Eigenschaften von verschiedenen Werkstoffen erklaren und umgekehrt kann das VerhaIten eines Werkstoffes durch die genaue Untersuchung seiner inneren Struktur vorhergesagt werden. SoIche Untersuchungen sind insbesondere durch eine Reihe neuer Gerate und Techniken wie z.B. die Elektronenmikroskopie erst moglich geworden. Die damit