Lehrgebiet "Verbundwerkstoffe“ in der Fakultät Werkstofftechnik

Prof. Dr. Kurt-Martin Beinborn

Die Verbundwerkstoffe sind eine sehr vielfältige Gruppe moderner Werkstoffe. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass zwei oder mehrere Feststoffe innig miteinander verbunden werden und so ein Werkstoff entsteht, der sich synergetisch die positiven Eigenschaften der Einzelkomponenten zu nutze macht.


So kann man z.B. die positiven Gebrauchseigenschaften eines Kunststoffes durch die Einbettung zugfester Fasern, wie Glasfasern, deutlich verbessern. Die Zugfestigkeit eines solchen GFK-Verbundes (glasfaserverstärktes Kunstharz) lässt sich so auf ein Mehrfaches der Festigkeit des Kunststoffes steigern.

Verbundwerkstoffe

hoch modern...

Die von Menschen gemachten Verbundwerkstoffe stellen derzeit die Spitze der technologischen Werkstoffentwicklung dar. Ihre Entwicklung in den letzten Jahrzehnten ist eng mit der Luft- und Raumfahrttechnik verknüpft.

Am Beispiel des Space Shuttle kann man leicht zeigen, dass erst die Entwicklung der höchsttemperaturbeständigen Leichtbauwerkstoffe die Raumfahrt in der uns heute bekannten Form ermöglicht haben. So sind die thermisch besonders belastete Spitze, die Flügelvorderkanten und -unterseiten aus kohlenstofffaserverstärkter Verbundkeramik hergestellt. Sie sind im Bild als schwarze Bauteile erkennbar.

Auch im Flugzeugbau, im Automobilrennsport, bei Sportartikeln und in vielen Bereichen des täglichen Lebens werden zusehends mehr Verbundwerkstoffe eingesetzt, wenn es auf optimierte Werkstoffeigenschaften ankommt.

Die Verbundwerkstoffe sind somit ohne Zweifel eine hochmoderne Werkstoffgruppe, deren Weiterentwicklung in der Zukunft noch eine Vielzahl uns heute vielleicht visionär erscheinende Produkte und Anwendungen ermöglichen werden.

Verbundwerkstoffe sind also Hochtechnologie vom Feinsten, und wir dürfen bei der Entwicklung dabei sein, oder - sofern wir es erlernen - sogar mitmachen!

... und doch uralt

Bei aller Freude über die Hochtechnologie sollte man aber nicht die Basis der Verbundwerkstoffe vergessen; und die ist schon sehr, sehr alt.

So setzt der (Früh-) Mensch schon seit vielen tausend Jahren Verbundwerkstoffe ein, wenn er z.B. eine mit Zweigen verstärkte Lehmhütte baut. Auch die Fauna hat eine Vielzahl noch älterer Beispiele für die Herstellung und Anwendung von Verbundwerkstoffen hervorgebracht (z.B. Knochen, Termitenhügel oder - etwas grobschlächtiger - auch ein Biberdamm als Stabverbundbauwerk).

Die ältesten und vielleicht am besten optimierten Verbundwerkstoffe stellt jedoch die Pflanzenwelt her. So sind beispielsweise Gräser, wie Bambus, und Holz exzellente Faserverbundwerkstoffe, deren spezifische Festigkeitseigenschaften den Vergleich mit modernen Werkstoffen nicht scheuen.

Einteilung der Verbundwerkstoffe

nach Aufbau

Die Verbundwerkstoffe sind eine äußerst vielfältige Werkstoffgruppe. Vom Aufbau her unterscheidet man grob in Schichtwerkstoffe bzw. Beschichtungen (wie Email) und partikulär verstärkte Verbundwerkstoffe. Als Verstärkungskomponenten kommen im wesentlichen die folgenden Verstärkungskomponenten in Frage:

  • Partikel (unstrukturiert oder wie z.B. Platelets strukturiert)
  • Whisker (monokristalline Kurzfasern)
  • Kurzfasern
  • Langfasern


nach Werkstoffgruppen

Sowohl die Beschichtung bzw. die Verstärkungskomponente, als auch der Grundwerkstoff bzw. die sogenannte Matrix können im Prinzip aus allen denkbaren Werkstoffen bestehen. Üblich sind Komponenten aus den folgenden Werkstoffgruppen:

  • Metalle
  • Glas
  • Keramik
  • Polymere
  • nachwachsende Rohstoffe


Dabei kann im Prinzip jede Komponente in jeder Aufbauart mit jeder anderen Komponente verbunden werden, so dass sich im Endeffekt eine schier unendliche Zahl von Kombinationsmöglichkeiten ergibt.

Im Bachelorstudiengang der Werkstofftechnik werden derzeit eine 2 Semesterwochenstunden (SWS) umfassende Grundlagenvorlesung, sowie für Interessierte eine 3 SWS umfassende Fortgeschrittenenvorlesung als Schwerpunkt angeboten.
Die Grundlagenvorlesung umfasst die gesamte Breite der modernen Verbundwerkstoffe von den verstärkten Kunststoffen über die Metalle und Gläser bis zu den Keramiken sowie deren grundlegende Wirkprinzipien, Herstellungsweisen und Anwendungen.

Im Schwerpunkt „Verbundwerkstoffe" des BA-Studiengangs und im Master wird vertiefend die Herstellung, Auslegung, Prüfung und das Versagensverhalten von Verbundwerkstoffen vermittelt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei bei den hochtechnologischen Faserverbundkeramiken und keramischen Fasern. Zudem wird auf moderne Entwicklungstendenzen eingegangen.