Der Ursprung von Composites reicht weit in die Geschichte zurück. Der häufigste künstliche Verbundwerkstoff bestand aus der Kombination von Stroh und Schlamm, um Ziegelsteine für den Bau herzustellen. Ein anderes Beispiel ist Beton, der Zement und Kies kombiniert. Neuere Verbundstoffe verwenden Polymere als Harz oder Matrix, um die Mischung zusammen zu halten, und verschiedene Fasern als Verstärkungsmaterial. Diese Polymerverbundstoffe haben die Leistung vieler moderner Produkte verbessert.
Matrix
Der Zweck der Matrix besteht darin, die Fasern der Verstärkung so miteinander zu verbinden, dass sich die Spannungen im gesamten Material verteilen. Die Harzmatrix bildet auch eine harte Oberfläche, die das Verstärkungsmaterial vor Beschädigung schützt. Polymermatrixmaterialien sind zwei Arten: Duroplaste und Thermoplaste. Eine duroplastische Matrix wird durch irreversible chemische Härtungswirkung eines Harzes unter Bildung einer amorphen Mischung erzeugt. Duroplaste zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, gute Lösungsmittelbeständigkeit und hohe Dimensionsstabilität aus.
Thermoplaste werden durch Erwärmen auf die Prozesstemperatur und Formen des Produkts in die gewünschte Form hergestellt. Sie haben eine sehr hohe Viskosität, was ihre Herstellung erschwert. Thermoplaste haben im Vergleich zu Duroplast-Composites eine höhere Beständigkeit gegen Rissbildung und Beschädigung durch Schlag.
Fasern
Die Rolle der Faserverstärkung besteht darin, dem kombinierten Material Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen. Verstärkung gibt es in drei Formen: Partikel, Endlosfaser und diskontinuierliche Faser. Frühe Verstärkungsmaterialien waren Stroh, Hanf und Glas. In den 1940er Jahren begannen die Hersteller, Kohlenstoff- und Glasfasern mit Polymerkunststoffen zu kombinieren, um einen starken Verbundwerkstoff herzustellen, der für Flugzeughüllen verwendet werden konnte.
Stärke
Ein wesentlicher Vorteil von Polymercomposites ist das hohe Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht. Verbundwerkstoffe mit Polyaramidfasern sind auf Pfundbasis fünfmal stärker als Stahl. Die Fasern in diesen Verbundstoffen können während des Herstellungsprozesses in einem multidirektionalen Muster angeordnet werden, das Spannungen im gesamten Material verteilt. Diese Materialien haben jedoch eine geringe Druckfestigkeit, was bedeutet, dass sie bei plötzlichen, scharfen Kräften leicht brechen können. Ein fertiger Polymerverbundstoff weist eine glatte Oberfläche auf, so dass der Luftwiderstand in Flugzeugen reduziert werden kann.
Elastizität
Polymerverbundstoffe haben eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen chemische Korrosion, Kratzer, Rost und Meerwasser. Diese Eigenschaften haben zu Anwendungen in Flugzeughüllen, Fahrradteilen, Militärfahrzeugen, Zügen und Booten geführt. Aufgrund ihrer Langlebigkeit haben billige Verbundstoffe in Sitzen, Wänden und Böden in Bussen und U-Bahnen Verwendung gefunden.
Kosten
Der Nachteil der Herstellung von Polymerkompositen und deren Umformung zu nützlichen Produkten ist der Hauptnachteil. Polymerverbundstoffe werden in einem aufwendigen Verfahren hergestellt, das als Auflegen bekannt ist und die Produktionsraten verlangsamt, wodurch die Produkte bei hohen Produktionsmengen weniger wirtschaftlich sind. Fortschrittliche Polymerverbundstoffe sind ebenfalls teuer in der Herstellung. Diese fortschrittlichen Formeln erfordern ein teureres Training für die Arbeit und ausgefeiltere Umwelt- und Gesundheitsaspekte.
Polymerverbundstoffe haben sich im Laufe der Jahre mit weniger kostspieligen Herstellungsverfahren und besseren Formulierungen mit besseren Festigkeits- und Haltbarkeitseigenschaften weiterentwickelt. Während die Wissenschaftler mehr über die Zusammenhänge zwischen Harzen und Verstärkungsmaterialien erfahren, werden die Anwendungen von Polymercomposites in alltäglichen Produkten mehr Verwendung finden. Stärkere und leichtere Verbundstoffe werden in Transportmitteln, Booten und anderen Produkten, die bisher nicht für möglich gehalten wurden, sparsamer eingesetzt.
