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Spezielle Werkstoffe, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Hochschule MannheimWerkstoffkunde

Spezielle Werkstoffe - Fragen und Antworten

Art: Zusammenfassungen

2024/2025

Hochgeladen am 02.02.2025

milot-hajdaraj
milot-hajdaraj 🇩🇪

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1. Wie werden Glasfasern vor sprödem Bruch geschützt?
- Glasfasern werden durch ihre umgebende Schutzschicht vor sprödem Bruch geschützt.
2. Welche Eigenschaften besitzen Glasfasern?
- Glasfasern haben eine hohe Zug- und Druckfestigkeit, gute Temperaturbeständigkeit, geringe
Feuchtigkeitsaufnahme, gute elektrische & thermische Isolationsfähigkeit, eine relativ hohe
Bruchdehnung, sind vollkommen unbrennbar und haben einen geringen E-Modul. Sie sind
zudem die preiswerteste Variante.
3. Was ist die wichtigste Glasfaser-Variante?
- Die wichtigste Glasfaser-Variante ist E-Glas (Electric). Sie ist die Standardfaser und macht ca.
90% des Marktes aus.
4. Welche Eigenschaften hat E-Glas?
- E-Glas hat einen E-Modul von 73.000 N/mm², eine Zugfestigkeit von 2.400 N/mm² und eine
Dichte von 2,5 g/cm³.
5. Wie werden Kohlenstofffasern hergestellt und welche Eigenschaften haben
sie?
- Kohlenstofffasern werden auf PAN-Basis hergestellt und durchlaufen mehrere Schritte wie
Oxidieren, Karbonisieren und Graphitisieren. Sie besitzen eine Kristallstruktur, sind elektrisch
leitend und weisen eine hohe Zugfestigkeit, gute Temperaturbeständigkeit, gute Wärme- und
elektrische Leitfähigkeit auf. Der Faserpreis ist jedoch hoch.
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1. Wie werden Glasfasern vor sprödem Bruch geschützt?

  • Glasfasern werden durch ihre umgebende Schutzschicht vor sprödem Bruch geschützt.

2. Welche Eigenschaften besitzen Glasfasern?

  • Glasfasern haben eine hohe Zug- und Druckfestigkeit, gute Temperaturbeständigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, gute elektrische & thermische Isolationsfähigkeit, eine relativ hohe Bruchdehnung, sind vollkommen unbrennbar und haben einen geringen E-Modul. Sie sind zudem die preiswerteste Variante.

3. Was ist die wichtigste Glasfaser-Variante?

  • Die wichtigste Glasfaser-Variante ist E-Glas (Electric). Sie ist die Standardfaser und macht ca. 90% des Marktes aus.

4. Welche Eigenschaften hat E-Glas?

  • E-Glas hat einen E-Modul von 73.000 N/mm², eine Zugfestigkeit von 2.400 N/mm² und eine Dichte von 2,5 g/cm³.

5. Wie werden Kohlenstofffasern hergestellt und welche Eigenschaften haben

sie?

  • Kohlenstofffasern werden auf PAN-Basis hergestellt und durchlaufen mehrere Schritte wie Oxidieren, Karbonisieren und Graphitisieren. Sie besitzen eine Kristallstruktur, sind elektrisch leitend und weisen eine hohe Zugfestigkeit, gute Temperaturbeständigkeit, gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit auf. Der Faserpreis ist jedoch hoch.

6. Was sind die Eigenschaften von HT-Fasern?

  • HT-Fasern (High Tenacity) haben einen E-Modul von 230.000 N/mm², eine Zugfestigkeit von 3.400 N/mm² und eine Dichte von 1,8 g/cm³.

7. Warum dehnt sich FVK trotz geringer Wärmeausdehnung der Matrix nur

gering aus?

  • FVK (Faserverbundwerkstoff) dehnt sich trotz geringer Wärmeausdehnung der Matrix nur gering aus, da die Fasern die Hauptlast tragen und die Wärmeausdehnung der Matrix durch die starken Bindungen der Fasern begrenzt wird.

8. Wie kann man die Zug-Druck-Strebe einer Parabolantenne berechnen?

  • Man kann die Zug-Druck-Strebe einer Parabolantenne mit der Mischregel berechnen.

9. Für welche Anwendungen eignet sich Aramidfaser?

  • Aramidfaser eignet sich für ballistischen Schutz, da sie eine hohe Zugfestigkeit, gute Schlagzähigkeit und geringe Druckfestigkeit parallel zur Faserrichtung besitzt.

10. Welche Eigenschaften und Einsatztemperatur hat Aramidfaser?

  • Aramidfaser hat eine Dichte von 1,45g/cm³, eine hohe Zugfestigkeit, geringe Druckfestigkeit in Faserrichtung, gute Schlagzähigkeit und eine Einsatztemperatur bis 150 °C.

11. Was sind die Eigenschaften von Polyethylenfaser?

  • Polyethylenfaser hat eine geringe Dichte von 0,97 g/cm³, eine starke Anisotropie aufgrund von Verstreckung, einen großen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ein großes Aufnahmevermögen von Schlagenergie und einen Schmelzpunkt von 150°C.

12. Warum ist die Matrix meist das schwächste Glied im Verbund?

  • Die Matrix ist das schwächste Glied im Verbund, da sie oft vorzeitig reißt, bevor die Faser reißt.

13. Welche Eigenschaft muss die Bruchdehnung der Matrix im Vergleich zur

Faser haben?

  • Die Bruchdehnung der Matrix sollte doppelt so groß sein wie die der Faser.

22. Was versteht man unter dem Begriff Kriechneigung?

  • Kriechneigung ist die dauerhafte Verformung unter konstanter Last.

23. Warum sind Verstärkungsfasern ausgeschieden, obwohl ihre Kennwerte gut

sind?

  • Verstärkungsfasern sind aufgrund ihrer hohen Kriechneigung ausgeschieden.

24. Welche Werkstoffe werden in der Tabelle verglichen?

  • CFK, GFK, Aramid, PE

25. Was sind die Eigenschaften verschiedener Leichtbauwerkstoffe?

  • Die Eigenschaften verschiedener Leichtbauwerkstoffe werden verglichen.

26. Was ist ein Endlosfaser?

  • Ein Endlosfaser ist ein Bündel von Filamenten, das parallel ausgerichtet oder verseilt auf Rollen abgelegt wird.

27. Wie werden Endlosfasern hergestellt?

  • Endlosfasern werden durch das Düsenpressverfahren hergestellt und danach aufgespult.

28. Wie werden Endlosfasern verwendet?

  • Endlosfasern werden unter anderem für das Wickelverfahren, Prepreg und Pultrusion verwendet.

29. Was versteht man unter dem Begriff 'Roving'?

  • Roving ist ein ungedrehtes Bündel aus parallel angeordneten Endlosfasern.

30. Was versteht man unter dem Begriff 'Prepreg'?

  • Prepreg sind textile Flächengebilde bzw. Endlosfasern, die mit ungehärtetem Harz getränkt/ vorimprägniert sind.

31. Welche Faktoren beeinflussen die Steifigkeit und Festigkeit bei gleichem

Fasertyp?

  • Der Faservolumenanteil, die Ausrichtung der Fasern und der Winkel der Kra beeinflussen die Steifigkeit und Festigkeit.

32. Was sind Einflussfaktoren auf textile Flächengebilde?

  • Der Fasertyp, der Faservolumenanteil und die Anordnung der Verstärkungsfasern in der Matrix beeinflussen textile Flächengebilde.

33. Was sind Vliese und wie werden sie verbunden?

  • Vliese sind Flächengebilde aus ungeordnet übereinander liegenden Faserabschnitten und werden mit speziellem Bindemittel oder durch 'Nadeln' verbunden.

34. Welche Eigenschaften haben Vliese?

  • Vliese haben eine geringe Festigkeit, ein geringes E-Modul und sind nicht für Hochleistungs- FKV geeignet.

35. Wofür werden Vliese häufig verwendet?

  • Vliese werden häufig bei der Herstellung von Karosserieteilen und als Schutzschicht gegen Steinschlag eingesetzt.

36. Welche Arten von Geweben gibt es und wie beeinflussen sie die

Eigenschaften?

  • Es gibt Leinenbindung und Atlasbindung, wobei die Welligkeit der Fasern die Festigkeit und Steifigkeit beeinflusst.

37. Welche Rolle spielt der Faservolumenanteil für die Eigenschaften von

Geweben?

  • Der Faservolumenanteil beeinflusst die Steifigkeit, Festigkeit und Drapierbarkeit von Geweben.

38. Was ist die Kristallinität von Thermoplasten?

  • Die Kristallinität ist nie vollständig in Thermoplasten, da es ungeordnete Bereiche gibt.

zu?

  • Zugfestigkeit, Viskosität und Schlagzähigkeit nehmen zu.

48. Welche Eigenschaften haben Duroplaste?

  • Duroplaste sind nicht einschmelzbar, haben eine geringe Arbeitshygiene und sind vernetzt.

49. Welche Eigenschaften haben Elastomere?

  • Elastomere sind chemisch vernetzte Kunststoffe, die sich nicht einschmelzen lassen.

50. Welche Eigenschaften haben Thermoplaste?

  • Thermoplaste sind schmelzbar, haben eine hohe Arbeitshygiene und sind nicht vernetzt.

51. Welche Eigenschaften haben teilkristalline Thermoplaste?

  • Teilkristalline Thermoplaste sind opak, medienbeständig und haben eine geringe Arbeitshygiene.

52. Welche Eigenschaften haben verschiedene Kunststoffe hinsichtlich Tg, Tz

und Ts?

  • Duroplaste haben eine hohe Tg, Tz und Ts, Elastomere haben eine niedrige Tg, Tz und Ts, Thermoplaste haben eine mittlere Tg und Ts, teilkristalline Thermoplaste haben eine hohe Tg, Tz und Ts.

53. Was ist der Zusammenhang zwischen Floßerung und Festigkeit, Steifigkeit

und Drapierbarkeit?

  • Je höher die Floßerung, desto einfacher ist das Gewebe in Radien zu drapieren. Dadurch nehmen Festigkeit, Steifigkeit und Drapierbarkeit zu.

54. Warum wird trotzdem häufig Leinwand oder meistens Köperbindung

verwendet, zumindest in Oberflächen?

  • Man verwendet Leinwand oder Köperbindung, um eine schöne Gewebeoptik zu erhalten. Insbesondere im Rennsportbereich werden diese Verbindungen bevorzugt, da sie eine gute Sicht auf das Gewebe ermöglichen. Darunter wird dann oft Atlas oder reines Gelege verwendet.

55. Was ist ein biaxiales Gelege? Wo wird es am häufigsten verwendet? Mit

welchem Verfahren ist es herstellbar?

  • Ein biaxiales Gelege besteht aus 2 Gelegelagen mit unterschiedlichen Orientierungen, z.B. 0°/90°. Es wird hauptsächlich im Hochleistungs-FVK-Bereich, wie z.B. im Automobil- oder Yachtbau, verwendet. Das Gelege wird durch das Wirken-Verfahren hergestellt, bei dem die einzelnen Schichten mit Wirkfäden vernäht werden.

56. Was ist der Unterschied zwischen Gewebe und Geflecht?

  • Beim Geflecht liegen beide Fadensysteme in einem einstellbaren Winkel zur Abzugsrichtung, während beim Gewebe nur Winkel von 0° und 90° möglich sind. Beim Rundgeflecht gibt es keine offenen Faserenden wie beim Gewebe. Der Überkreuzungswinkel der Fasern kann eingestellt werden, um die Steifigkeit anzupassen.

57. Wie werden Gewirke und Gestricke hergestellt? Sind sie für FVK-

Verstärkung geeignet?

  • Gewirke werden mit einem Faden und Gestricke mit mehreren Fäden durch Schlaufenbildung hergestellt. Sie sind nicht für die Verstärkung von Faserverbundkunststoffen geeignet, da sie keine Vorzugsrichtung haben und die Fasern stark gekrümmt sind. Gewirke werden jedoch zur Fixierung von Multiaxial- und Biaxialgelegen eingesetzt.

58. Welche Dehnungen treten bei GFK-Laminaten mit den Orientierungen 0/

und 45/-45/-45/45 auf?

  • Bei GFK-Laminate mit der Orientierung 0/90 sind die Dehnungen in x- und y-Richtung gleich groß. Bei Laminate mit der Orientierung 45/-45/-45/45 sind die Dehnungen in x- und y-Richtung gleich groß, jedoch nehmen sie in der z-Richtung ab.

59. Was sind die Aufgaben der Faser und Matrix im Faser-Kunststoff-Verbund?

  • Die hochfesten Fasern übernehmen die Lasten des Bauteils, während die Matrix die Fasern fixiert, Kräfte in die Fasern überträgt, die Fasern bei Druckbeanspruchung stützt und vor Umgebungseinflüssen schützt. Die Matrix trägt auch die Lasten bei Belastung quer zur Faserrichtung.

60. Welche Eigenschaften eines Verbundes werden von der Matrix beeinflusst?

  • E-Modul, Festigkeit, Dichte, Schlagzähigkeit und Temperatur-Einsatzgrenzen werden alle von der Matrix beeinflusst.

70. Nennen Sie vier Kunststoffe und ihre Anwendungsbereiche.

  • POM: Innenraum KFZ, PMMA: Plexiglas, PS: Styropor-Schaum, PE: Flaschen, PP: Lu filtegehäuse, PVC: Fensterproû le

71. Welche Bindungskräfte gibt es zwischen/innerhalb Kunststoff-Molekülen?

  • Innermolekulare (chemische) und intermolekulare (physikalische) Bindungskräfte

72. Was sind thermoplastische Kunststoffe und woraus bestehen sie?

  • Thermoplasten bestehen nur aus intermolekularen (sekundären) physikalischen Bindungen.

73. Was sind duroplastische Kunststoffe und woraus bestehen sie?

  • Duroplasten bestehen aus intermolekularen (sekundären) physikalischen Bindungen und innermolekularen (primären) chemischen Bindungen.

74. Was sind Elastomere und woraus bestehen sie?

  • Elastomere bestehen aus intermolekularen (sekundären) physikalischen Bindungen und innermolekularen (primären) chemischen Bindungen.

75. Welche Bindungen existieren zwischen Molekülen bei Duroplasten?

  • Bei Duroplasten existieren chemische (Hauptvalenzbindungen) zwischen den Makromolekülen.

76. Welche Bindungen existieren zwischen Molekülen bei Elastomeren?

  • Bei Elastomeren existieren chemische (Hauptvalenzbindungen) zwischen den Makromolekülen.

77. Welche Bindungen existieren zwischen Molekülen bei Thermoplasten?

  • Bei Thermoplasten existieren intermolekulare physikalische (Nebenvalenzbindungen) zwischen den Makromolekülen.

78. Was passiert bei der Erstarrung von Kunststoffen?

  • Bei der Erstarrung von Kunststoffen erfolgt der Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand durch das Unterschreiten der Erstarrungstemperatur oder das Überschreiten einer Aktivierungstemperatur.

79. Wie ist die Struktur von amorphen Thermoplasten?

  • Amorphe Thermoplasten bestehen aus stark verästelten (verzweigten) Molekülen, die sich schlecht ordnen lassen.

80. Wie ist die Struktur von teilkristallinen Thermoplasten?

  • Teilkristalline Thermoplasten haben amorphe und kristalline Bereiche. An den Grenzflächen zwischen diesen Bereichen wird das Licht gestreut, wodurch sie milchig trüb (opak) sind.

81. Was ist die Verwendung von 100% kristallinen Kunststoffen?

  • Es gibt keine 100% kristallinen Kunststoffe.

82. Warum sind Kunststoffe Isolatoren?

  • Sie haben keine frei beweglichen Elektronen.

83. Welche Funktion haben Füllstoffe in Kunststoffen?

  • Sie machen Kunststoffe leitfähiger.

84. Was sind die Eigenschaften von Kunststoffen?

  • Geringe Dichte, hohe mechanische Eigenschaften pro Gewicht, Dehnfähigkeit, gute Haft- und Gleiteigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit.

85. Welche Kriterien sind wichtig bei der Auswahl von Kunststoffen?

  • Preis, mechanische Eigenschaften, Temperatur-Einsatzgrenzen, Beständigkeit gegen Medien, elektrische Eigenschaften, Brandverhalten, Ferbungseigenschaften.

86. Warum ist eine hohe Viskosität von Thermoplasten ein Nachteil?

  • Es erschwert die Verarbeitung und führt zu Verklebungen.

95. Was bedeutet Anisotropie?

  • Eigenschaften sind richtungsabhängig

96. Was bedeutet Isotropie?

  • Eigenschaften sind nicht richtungsabhängig

97. Was bedeutet Quasiisotropie?

  • Eigenschaften sind scheinbar isotrop, z.B. durch Legung von Fasern in verschiedenen Winkeln

98. Warum dehnt sich ein Laminat in Faserrichtung nicht so stark wie quer zur

Faserrichtung?

  • Die Fasern haben einen höheren E-Modul als die Matrix, wirken wie Verstärkung, begrenzen Dehnung

99. Was ist der Unterschied zwischen Glasfaser und anderen Fasern?

  • Glasfaser ist anorganisch und enthält kein Kohlenstoff

100. Wie wird Glasfaser hergestellt?

  • Im Düsenziehverfahren: Glasschmelze wird gezogen, Molekülketten ordnen sich in Zugrichtung an

101. Wann ist ein Laminat versagt?

  • Ein Laminat ist versagt, wenn es komplett reißt.

102. Was sind die Auswirkungen von kleinen Rissen im Laminat?

  • Kleine Risse im Laminat führen zu einer kürzeren Lebensdauer um ca. 30%.

103. Warum treten Zwischenfaserbrüche bei Kreuzlaminaten auf?

  • Zwischenfaserbrüche treten bei Kreuzlaminaten aufgrund von Dehnungsüberhöhung in 90°- Lage auf.

104. Was ist der Effekt der Steigung bei Zwischenfaserbrüchen?

  • Die Steigung nimmt bei Zwischenfaserbrüchen ab.

105. Was bedeutet Druckversagen?

  • Druckversagen ist ein lokales Versagen, nicht aber ein Stabilitätsversagen.

106. Welchen Einfluss hat das Schubmodul auf die Druckfestigkeit?

  • Je höher das Schubmodul, desto größer die Druckfestigkeit.

107. Welche Faktoren beeinflussen die Druckfestigkeit?

  • Die Druckfestigkeit ist stark abhängig vom Fasertyp.

108. Warum ist das Knicken gefährlich?

  • Das Knicken ist gefährlich, weil die Fasern an diesen Stellen stark gekrümmt werden.

109. Wie kann ein gutes Impact-Verhalten erreicht werden?

  • Ein gutes Impact-Verhalten kann erreicht werden durch eine schlagzähe Matrix oder zähe Faser.

110. Welchen Effekt hat eine schlechte Haftung auf das Impact-Verhalten?

  • Eine schlechte Haftung begünstigt den Faser-Auszugseffekt.

111. Was ist die Mischungsregel?

  • Die Mischungsregel besagt, wie viel Kohlefaser im Werkstoff vorhanden ist bei der Berechnung mit dem E-Modul.

112. Was sind die Eigenschaften von Glasfaser?

  • Hochedicht, hohe Zugfestigkeit, hohe Schlagzähigkeit, isotrop

FVK?

  • Mit steigendem Differenzwinkel sinken die Festigkeit und das E-Modul rapid ab.

123. Warum hat Glasfaser in Längs- und Querrichtung den gleichen E-Modul?

  • Glasfaser ist isotrop und auch die Matrix muss isotrop sein.

124. Was passiert in Querrichtung beim Versagen eines Laminats?

  • Die Dehnung vergrößert sich deutlich und die Laminatschicht versagt zuerst.

125. Was führt zur Dehnungsvergrößerung in einem Laminat bei Querzug?

  • Der große Unterschied der E-Moduln zwischen Faser und Matrix und die ungleiche Verteilung der Matrix zwischen den Fasern.

126. Warum hat GFK eine höhere Dehnungsvergrößerung als CFK-HT?

  • Der Unterschied zwischen dem E-Modul der Glasfaser und der Matrix ist bei GFK höher.

127. Warum sind Risse im Laminat ungefähr im gleichen Abstand?

  • Die Spannung, die durch den Riss entsteht, wird auf die umliegenden Fasern übertragen, bis sie auch reißen.

128. Was ist die Deû nition der Dichte?

  • Dichte = Masse / Volumen

129. Wie wird der E-Modul berechnet?

  • E=<2óμ ; ;R Ó”l/l0 ; Hookesches Gesetz: <2 Ò S ³μ

130. Was ist die Zugfestigkeit?

  • Die maximale mechanische Zugspannung, die der Werkstoff aushält

131. Was ist die Definition von Festigkeit?

  • Widerstand eines Körpers gegen Verformung, wenn äußere Kräfte einwirken

132. Was ist die Definition von Härte?

  • Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines härteren Körpers in die Oberfläche unter Last

133. Was ist die Definition von Zähigkeit?

  • Maß für das Verformungsvermögen eines Körpers bei äußeren Belastungen

134. Was ist ein Laminat?

  • Ein Werkstoff/Produkt aus zwei/mehreren flächig miteinander verklebten Schichten

135. Vergleichen Sie Federstahl, Aluminium, GFK und CFK hinsichtlich Dichte, E-

Modul, Zugfestigkeit und Preis miteinander.

  • Federstahl: Dichte = ?, E-Modul = ?, Zugfestigkeit = ?, Preis = ?; Aluminium: Dichte = ?, E- Modul = ?, Zugfestigkeit = ?, Preis = ?; GFK: Dichte = ?, E-Modul = ?, Zugfestigkeit = ?, Preis = ?; CFK: Dichte = ?, E-Modul = ?, Zugfestigkeit = ?, Preis =?

136. Was sind Kunststoffe bzw. wie sind Kunststoffe definiert?

  • Kunststoffe sind synthetisch hergestellte, (organische) Werkstoffe deren Hauptbestandteil Kohlenstoff ist

137. Zwischen welchen drei Kunststoffarten wird unterschieden?

  • Massenkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe