Matrix-materialien

im Faserverbund Leichtbau

Faserverbundwerkstoffe bestehen aus zwei Hauptkomponenten: den Fasern, die die mechanische Festigkeit und Steifigkeit bestimmen, und der Matrix, die die Fasern umschließt, schützt und die Kräfte innerhalb des Materials verteilt.

Die Wahl des richtigen Matrixmaterials ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Verbunds, da es die thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs maßgeblich beeinflusst. 

Matrixsysteme in Faserverbundwerkstoffen lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptgruppen unterteilen: Duromere (Duroplaste) und Thermoplaste. Beide Materialklassen haben spezifische Eigenschaften, die sie für unterschiedliche Anwendungen prädestinieren.

Duromere (Duroplaste) als Matrixmaterialien

Duromere sind Kunststoffe, die während ihrer Verarbeitung aushärten und eine feste, irreversible Struktur ausbilden. Dieser Vernetzungsprozess führt dazu, dass sie nach der Aushärtung nicht mehr durch Erwärmen verformt oder aufgeschmolzen werden können. Sie zeichnen sich durch eine hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie eine geringe Kriechneigung aus.

Zu den wichtigsten duromeren Matrixmaterialien zählen:

1. Epoxidharze (EP-Harze)

Epoxidharze sind die am häufigsten verwendeten duromeren Matrixsysteme in Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen. Sie bieten eine hervorragende Kombination aus mechanischer Festigkeit, chemischer Beständigkeit und Haftung an den Fasern.

Typische Anwendungen:

Epoxidharze werden besonders häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, in Windkraftanlagen sowie in der Medizintechnik und im Bootsbau eingesetzt.

Vorteile

  • Hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit
  • Sehr gute Haftung an Fasern, insbesondere an Carbonfasern
  • Geringe Schrumpfung beim Aushärten, was zu präzisen Bauteilgeometrien führt
  • Hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Resistenz

Nachteile

  • Höhere Kosten im Vergleich zu Polyester- pder Phenolharzen
  • Aushärtungszeiten können relativ lang sein
  • Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung ohne spezielle Schutzmaßnahmen

2. Ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze)

UP-Harze sind kosteneffiziente und weit verbreitete duromere Matrixsysteme mit guten mechanischen Eigenschaften und hoher chemischer Beständigkeit. Sie sind besonders attraktiv für Anwendungen, in denen das Preis-Leistungs-Verhältnis eine zentrale Rolle spielt.

Typische Anwendungen:

UP-Harze werden häufig im Bootsbau, in der Automobilindustrie, im Bauwesen sowie in der Herstellung von Freizeit- und Sportartikeln verwendet.

Vorteile

  • Günstiger als Epoxidharze
  • Gute chemische Beständigkeit
  • Schnelle Verarbeitung und Aushärtung
  • Breite Verfügbarkeit und einfache Verarbeitung

Nachteile

  • Mechanische Festigkeit und Haftung an Fasern geringer als bei Epoxidharzen
  • Höhere Schrumpfung während der Aushärtung
  • Emissionen von Styrol während der Verarbeitung können gesundheitsschädlich sein

3. Phenolharze (PF-Harze)

Phenolharze zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Hitzebeständigkeit und ihre exzellenten Brandschutzeigenschaften aus. Sie werden häufig in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt.

Typische Anwendungen:

Phenolharze kommen häufig in der Luftfahrt, im Schienenfahrzeugbau, in Brandschutzpaneelen und in Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz.

Vorteile

  • Sehr hohe Temperaturbeständigkeit
  • Hervorragende Brandschutz- und Rauchgasbeständigkeit
  • Gute chemische Beständigkeit

Nachteile

  • Niedrigere mechanische Festigkeit als Epoxid- und Polyesterharze
  • Lange Aushärtungszeiten
  • Verarbeitung kann anspruchsvoller sein

Thermoplaste als Matrixmaterialien

Im Gegensatz zu Duromeren bleiben Thermoplaste auch nach der Verarbeitung thermisch verformbar. Dies ermöglicht eine schnellere und effizientere Verarbeitung sowie eine bessere Recyclingfähigkeit. Thermoplastische Matrixsysteme bieten eine hohe Zähigkeit, was sie besonders widerstandsfähig gegen Stoß- und Schlagbelastungen macht.

Eigenschaften von Thermoplasten: 

  • Wiederverformbarkeit durch Erwärmen
  • Kurze Verarbeitungszeiten, da keine chemische Aushärtung nötig ist
  • Hohe Schlagzähigkeit und Bruchdehnung
  • Gute Recyclingsfähigkeit