Composite

Aus ESOCAETWIKIPLUS

engl: composite material          Kategorie: Level 2 Material

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Verbundwerkstoff

Inhaltsverzeichnis 1 Simulation 2 Beispiele 3 Materialdaten 4 Sonstige Begriffe

Simulation

Ein Composite-Werkstoff (Verbund-Werkstoff) in der Simulation ist ein Werkstoff, der aus mehreren verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist. Dazu zählen

• Werkstoffmischungen,
• faserverstärkte Werkstoffe (reinforced material) oder
• geschichtet aufgebaute Werkstoffe (layered composite).

Im Englischen sollte ein Verbund-Werkstoff als "composite" bezeichnet werden. Ein geschichtet aufgebauter Werkstoff sollte dem gegenüber als "layered composite" bezeichnet werden.

Meistens sind Composite- (Verbund-) Werkstoffe heterogen, anisotrop und nichtlinear.

Wenn einige der Bestandteile der Mischung eine besondere Form oder Ausrichtung haben, kann durch höheren Aufwand bei der Simulation eine hohe Genauigkeit der Ergebnisse erreicht werden. Zum Beispiel kann bei faserverstärkten Werkstoffen (reinforced material), bei denen feste Fasern in einem weichen Material eingebettet sind, die hohe Festigkeit der Fasern in ihrer Längsrichtung und die geringere Festigkeit des umgebenden Materials in den Quer-Richtungen unterschieden werden. Dann wird der Werkstoff anisotrop simuliert und die Materialwerte der Fasern und des umgebenden Materials getrennt verwendet und abhängig von der Richtung kombiniert. In der Abbildung rechts ist dies prinzipiell als Micro-Skalen-Modellierung dargestellt. Natürlich ist dies nur sinnvoll, wenn die Fasern eine gleiche Ausrichtung haben, also nicht, wenn die Fasern kurz sind und ungeordnet verschiedene Richtungen haben.

Bei einer Meso-Skalen-Modellierung werden die Fasern verschmiert betrachtet und als Schichten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zusammengefasst (laminat level). Wenn der Werkstoff aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, indem diese in Schichten aneinander gefügt werden, dann spricht man von einem geschichtet aufgebauten Werkstoff (layered composite).

Oftmals wird in einer Macro-Skalen-Modellierung das Verhalten in erster Näherung als homogenes, gleichmäßiges Material mit isotropen (in alle Raumrichtungen gleichen) Materialdaten abgebildet, die sich anteilig aus den Mischungsbestandteilen ergeben.

Beispiele

Beispiele für Verbund-Werkstoffe sind

• Schleifscheiben (Keramik eingebettet in Polymer),
• Hartmetall (Keramik eingebettet in Metall),
• Spanplatten (Holz eingebettet in Polymer) oder
• Polymerbeton (Mineral eingebettet in Polymer).

Ein Beispiel für einen Verbund-Werkstoff ist GLARE für die Wandung eines modernen Verkehrsflugzeugs. Dabei wird eine CFK-Innenhaut (Kunststoff mit eingebetteten Kohlefasern) vorgesehen, ein Kern aus einem sehr leichtem Strukturschaum und eine dünne Außenhaut aus Aluminium. Dieser Verbund-Werkstoff erfüllt die wesentlichen Anforderungen an die Wandung eines Flugzeuges wie

• hohe Biegesteifigkeit durch großes Flächenträgheitsmoment,
• im Schaum können Stringer-Versteifungen eingebettet werden,
• die Aluminium-Außenhaut und der Schaumkern schützen die Innenhaut vor Beschädigungen von außen (Vogelschlag, Unfälle beim Beladen..),
• Schäden der Außenhaut sind an der dünnen Aluminium-Schicht gut erkennbar und detektierbar,
• gute Reparaturmöglichkeiten,
• glatte Außenwandung (keine Nieten) und damit geringer Strömungswiderstand,
• die Aluminium-Außenhaut bietet Blitzschutz, Lackierfähigkeit, Oxidationsschutz.., wirkt als Feuchtebarriere.

Materialdaten

Bei der Bestimmung von Materialdaten können eine Anzahl von Regelwerken zugrunde gelegt werden, wie z.B.

• ISO 14125:1998 fiber-reinforced plastic composites -- Determination of flexural properties
• ISO 527-5:2009 Plastics -- Determination of tensile properties -- Part 5: Test conditions for unidirectional fiber-reinforced plastic composites
• VDI 2014: Empfehlungen für das Entwickeln von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FVK), die aus einzelnen faserverstärkten Schichten bestehen und bei denen Fasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind
• ASTM Committee D30 on Composite Materials
• ASTM D7205 / D7205M - 06 Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars
• ASTM D7617 / D7617M - 11 Standard Test Method for Transverse Shear Strength of Fiber-reinforced Polymer Matrix Composite Bars

Sonstige Begriffe

Über Werkstoffe finden Sie auch Materialdaten, Anisotropie, Composite, faserverstärkter Werkstoff, geschichteter Werkstoff und Versagenskriterium.