Eigenschaften und Verwendung von Verbundwerkstoffen 06:31 min

Hallo ich bin Mathias. Willkommen zu Chemie.

Weißt du eigentlich wie die Flügel eines Flugzeugs so groß sein können ohne zu brechen? Oder woraus ein Space Shuttle gebaut ist? Das Geheimnis sind Verbundwerkstoffe. Warum sie so toll für diese Zwecke geeignet sind, werde ich dir in diesem Video erklären. Es gliedert sich wie folgt. Als erstes werde ich dir erklären wie Verbundwerkstoffe aufgebaut sind und dabei auf die Matrix und das Verstärkungsmaterial eingehen. Was diese Werkstoffe für Eigenschaften haben sehen wir uns dann an. Nun folgen daraus die Verwendungszwecke. Am Schluss gibt es eine kleine Zusammenfassung.

Dann starten wir mit dem Aufbau. Verbundwerkstoffe bestehen aus mindestens 2 Komponenten. Das eine ist die Matrix oder auch Grundsubstanz. Sie ist hier gelb dargestellt. Die zweite Komponente ist das Verstärkungsmaterial, hier türkis. Die Matrix ist ein Kunststoff. Es werden Thermoplasten und Duroplasten verwendet. Thermoplasten bestehen aus langen Ketten. Sie sind weich und gut verformbar bei Wärme. Duroplasten dagegen sind räumlich vernetzte Polymere. Sie sind hart und formstabil bei Wärme. Am häufigsten verwendet werden Epoxidharze. Es sind Duroplaste. Ein Epoxidharze sind Polyether mit endständigen Epoxygruppen. Dies ist die Epoxy-Gruppe. Es ist ein Ring aus 2 Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Dieser Ring steht unter Spannung. Daher ist er sehr reaktiv. Diese Epoxy-Gruppe kann zum Beispiel mit einem Alkohol reagieren. Es läuft eine Polyaddition ab. Hierbei reagiert die OH-Gruppe mit der Epoxy-Gruppe. Dadurch entsteht eine Sauerstoffbrücke. Das Epoxidharz verleiht dem Werkstoff eine hohe Festigkeit und thermische Stabilität. Ein Thermoplast, der oft für die Matrix verwendet wird, ist Polyester. Er kommt in Fiberglas zum Einsatz. Für die Herstellung benötigt man Carbonsäuren und Alkohole. Carboxy-Gruppe und Hydroxy-Gruppe reagieren unter Abspaltung von Wasser miteinander. Eine Estergruppe hat sich gebildet. Die Reaktion ist eine Polykondensation. So die Matrix hätten wir. Wir brauchen nun noch die 2. Komponente, das Verstärkungsmaterial. Es dient dazu die Steifigkeit und Zugfestigkeit des ganzen Werkstoffs zu erhöhen. Ausserdem macht es ihn beständig gegen aggressive Substanzen, wie zum Beispiel Säuren, und hohe Temperaturen. Das Material wird in Form von Fasern eingearbeitet. Diese liegen parallel im Werkstoff. Sie werden dann aufeinander gestapelt. Diese Schichten nennt man unidirektionale Schichten. Zusammen ergeben sie das UD-Laminat. Eingesetzt werden: Glasfasern, Kohlenstofffasern und Aramidfasern. Du weißt nun wie Verbundstoffe aufgebaut sind. Bei diesem Aufwand müssen sie ja ganz tolle Eigenschaften haben. Diese sehen wir uns jetzt an. Verbundwerkstoffe besitzen eine hohe Steifigkeit, sind also sehr belastbar. Gleichzeitig sind sie aber auch sehr flexibel. Sie kommen damit den wünschenswerten Eigenschaften von Stahl sehr nahe, sind dabei allerdings korrosionsbeständig und durch ihre geringe Dichte auch sehr leicht. Wofür werden diese Werkstoffe nun verwendet? Zum Einsatz kommen sie in der Luft- und Raumfahrt. Zum Beispiel für Tragflächen. Des weiteren werden industrielle Bauteile aus ihnen gefertigt. Hightech-Prothesen für Spitzensportler sind aus Kohlefaser-verstärkten Kunststoffen. Weitere Anwendungsgebiete im Sport sind Motorsport, wie die Formel 1, und der Radsport. Du weißt nun wie Verbundwerkstoffe aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie besitzen. Ausserdem kennst du nun auch ihre Anwendungsbereiche. Nun werde ich das Video noch einmal kurz zusammenfassen. Verbundwerkstoffe bestehen aus mindestens 2 Komponenten. Die eine ist die Matrix oder Grundsubstanz, wie zum Beispiel Epoxidharz. Die Zweite ist das Verstärkungsmaterial, beispielsweise Kohlenstofffaser. Verbundwerkstoffe besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften. Daher kommen sie zum Einsatz wenn bei extremen Anforderungen ein möglichst niedriges Gewicht benötigt wird.

Vielen Dank für deine Aufmerksamkeit. Bis zum nächsten mal, dein Mathias