Untersuchung faserverstärkter Werkstoffe am Beispiel einer LKW-Plane

Glas-Linse - Hergestellt durch Präzisionsblankpressen.

Ein Faser-Verbund-Werkstoff besteht aus Verstärkungsfasern und einer Matrix. Die Matrix, meist ein Polymer, umgibt die Fasern, die durch adhäsive Wechselwirkungen an die Matrix gebunden sind. Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff. Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.

Die Matrix bettet die Fasern ein, d. h. die Fasern werden räumlich fixiert. So wird eine gleichzeitige Lastein- und Lastausleitung in eine große Anzahl von Fasern ermöglicht, ohne die einzelne Faser zu überlasten. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen. Für die Eigenschaften der Produkte ist daher die Anbindung der Matrix an die Fasern von entscheidender Bedeutung. Eine eventuell auf den Fasern bei der Herstellung aufgebrachte Schlichte kann hierauf einen signifikanten Einfluss haben.

Das folgende Beispiel zeigt Untersuchungsergebnisse einer LKW-Plane. Mittels Ion-Milling wurde zunächst ein Querschnitt erstellt. Dieser wurde anschließend mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenmikrobereichsanalysen (EDX) untersucht.

Elektronenmikroskopie an einem Querschnitt einer LKW-Plane (Präparation mittels Ionenätzen)

 

Die Abbildung zeigt die REM Bilder dieses Querschnittes der LKW-Plane. Die Präparation des Querschnitts mittels Ion-Milling ermöglicht den sicheren Nachweis auch kleine Hohlräume, sowie der Grenzflächen zwischen Faser und Matrix. Im Gegensatz zu Querschliffen sind beim Ionenätzen kleinere Hohlräume in der Probe weitgehend unproblematisch und bleiben als solche erhalten. Bei Schliffen kann es vorkommen, dass Hohlräume mit abgetragenem Material aufgefüllt oder verschmiert werden und so unter Umständen nicht nachweisbar sind.

In den Elektronenmikroskopie Bildern (REM) ist gut das verstärkende Fasergewebe (Durchmesser der Einzelfilamente ~20 µm), sowie die umgebende Polymer-Matrix zu erkennen. Darüber hinaus ist im Bereich der Quer angeschnittenen Faserbündel gut sichtbar, dass nur eine unzureichende Benetzung der Fasern mit dem Matrix-Werkstoff stattgefunden hat. Dies hat zu einer deutlichen Hohlraumbildung geführt.

Die Röntgen-Mikrobereichsanalytik (EDX) ermöglicht parallel zur REM-Analyse auch die Bestimmung der Elementverteilung am Querschnitt. Im vorliegenden Fall können Kohlefasern (= Carbonfasern) identifiziert werden. Somit kann ein CFK-Material (CFK = "C-Faser verstärkter Kunststoff") bestätigt werden.

Das Matrix-Polymer enthält hier primär Kohlenstoff und Chlor, vermutlich handelt es sich um Polyvinylchlorid (PVC). In der Matrix sind darüber hinaus Titan (als Pigment) und Kalzium (als Füllstoff in Form von CaCO3) nachweisbar. Die Verteilung der Partikel über den Querschnitt, kann dabei anhand der Messung einfach bewertet werden.

Im inneren Bereich des quer angeschnittenen Carbonfaser-Bündels erkennt man darüber hinaus zwischen den Einzelfasern ein von der Matrix unterscheidbares organisches Fremdmaterial. Dieses ist in der Abbildung, wie auch die Fasern selbst, rot dargestellt, liegt jedoch zwischen den Einzelfasern.

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