Thermoplastische Verbundmaterialien

Thermoplastisches Verbundmaterial wird unter Verwendung von thermoplastischen Polymeren als Matrixmaterial hergestellt, das bei Erwärmung auf erhöhte Temperaturen für die Verarbeitung erweicht und bei Abkühlung aushärtet. Hochleistungsfähige thermoplastische Polymere, die für thermoplastisches Verbundmaterial verwendet werden, bieten im Vergleich zu herkömmlichen duroplastischen Harzen (wie z. B. Epoxidharzen) eine Reihe von Vorteilen. bieten ermöglichen unter anderem höhere Betriebstemperaturen, eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme, verbesserte Zähigkeit und höhere chemische Beständigkeit.

Thermoplastische Verbundmaterialien können darüber hinaus erneut erwärmt und umgeformt werden, was Vorteile für Herstellungsprozesse wie das Thermoformen und verschiedene thermische Fusions-, Schweiß- und Verbindungsprozesse bietet.  Im Gegensatz zu duroplastischen Materialien erfordern thermoplastische Verbundmaterialien keine chemische Reaktion oder „Härtung“ und können mit viel kürzeren Zykluszeiten bei der Formung verarbeitet werden.  Darüber hinaus ist für thermoplastische Materialien keine Kühlung erforderlich und sie bieten eine unbegrenzte Haltbarkeit, wodurch der gesamte Herstellungsprozess zusätzlich vereinfacht und rationalisiert werden kann.

Für thermoplastische Verbundmaterialien werden üblicherweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern zur Verstärkung der thermoplastische Polymermatrix verwendet:

  • Glasfasern – werden in einer Vielzahl von strukturellen und mechanischen Teilen verwendet; verbessern die meisten mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Stärke und Steifheit; nichtleitend; bieten Formstabilität
  • Kohlenstofffasern – beste Leistung hinsichtlich Festigkeit und Steifheit; geringere Dichte als Glas; niedriger Ausdehnungskoeffizient; verbesserte Kriech- und Verschleißfestigkeit
  • Aramidfasern – niedriger Reibungs- und Wärmeausdehnungskoeffizient; sehr gute Zähigkeit; ausgezeichnete Verschleiß- und Abriebfestigkeit

Diese Verstärkungen bieten unter anderem auch aufgrund ihrer physischen Konfiguration verschiedene Vorteile. So können Kohlenstofffasern beispielsweise in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Strängen und sogar in Flocken hergestellt werden. Die erzeugen jeweils unterschiedliche Eigenschaften im Endprodukt und ermöglichen den Einsatz verschiedener Herstellungsverfahren. Diese Vielseitigkeit beim Design ermöglicht die Entwicklung von thermoplastischen Verbundmaterialien für ein breites Spektrum von Einsatzbedingungen.

Thermoplastische Verbundmaterialien haben sich in Luft- und Raumfahrt, in der Verteidigungs- und Automobilindustrie sowie in der Konsumgüter- und Elektronikindustrie als rentable Alternative zu Metallbaugruppen, Druckgussteilen und traditionellen duroplastischen Verbundmaterialien etabliert. Beispielsweise haben steigende Treibstoffkosten die Luft- und Raumfahrtindustrie dazu gezwungen, bei der Herstellung von leichten Ersatzteilen aus Metall vermehrt thermoplastische Verbundwerkstoffe zu verwenden. Zuvor war dies mit traditionellen Duroplastmaterialien nicht kosteneffizient.

Merkmale und Vorteile von hochleistungsfähigen, thermoplastischen Verbundmaterialien:

  • Gewichtseinsparungen, Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Metallen
  • Kosteneffiziente Herstellung mit weniger Abfall
  • Röntgentransparenz (Strahlendurchlässigkeit)
  • Verbesserte Dämpfung im Vergleich zu Duroplasten und Metallen
  • Recycelbar/umformbar
  • Erstklassige Belastbarkeit
  • Geringe Feuchtigkeitsaufnahme und infolgedessen sehr gute Heiß-Nass-Eigenschaften
  • Erstklassige chemische Beständigkeit
  • Erstklassiges Brandverhalten
  • Hohe Betriebstemperaturfähigkeit