11. Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe stellt man her, indem man verschiedene Werkstoffe (wie Glasfasern und Kunststoff oder Aluminiumlegierungen mit Aluminiumoxidfasern) kombiniert. Man kann maßgeschneiderte Eigenschaften einstellen, die die Werkstoffe, aus denen der Verbundwerkstoff aufgebaut ist, alleine nicht aufweisen. Oft werden auch zwei- und mehrphasige Gefüge zu den Verbundwerkstoffen gerechnet (Ausscheidungsteilchen und Matrix). Will man die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verstehen, muss man zunächst die räumliche Anordnung der verschiedenen Bestandteile des Verbundwerkstoffs im Gefüge betrachten. Kugeln, Fasern, Stäbe und Platten einer Phase (bzw. eines Werkstoffs) können in verschiedenen Volumenbruchteilen in unterschiedlicher Homogenität und Ausrichtung im Gefüge des Verbundwerkstoffs verteilt sein. Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können aus den Eigenschaften seiner Einzelbestandteile über geeignete Mischungsregeln abgeschätzt werden. Faserverstärkte Werkstoffe haben in der Werkstofftechnik besonderes Interesse gefunden, weil sie erlauben, Werkstoffe in bestimmten Richtungen gezielt zu verstärken. Der Stahlbeton stellt einen im Bauwesen wichtigen Spezialfall eines Verbundwerkstoffs dar. Hier sorgen Stahlstäbe unter Zugspannung dafür, dass auch Zugbelastungen ertragen werden können. Am Beispiel von Stahlbeton lernen wir verstehen, warum die Ausdehnungskoeffizienten der beiden Elementarwerkstoffe möglichst ähnlich sein sollen, dass eine gute Haftung zwischen Faser und Matrix vorliegen soll und dass der Beton die Stahlstäbe vor Korrosion schützen muss. Hartmetalle (wie zum Beispiel Wolframkarbid/Kobalt) oder Cermets, wie man sie häufig bezeichnet (ceramics, metals), stellen ein Gemisch aus einem höheren Anteil keramischer und einem meist kleineren Anteil metallischer Phase dar. Zu den Verbundwerkstoffen zählen wir auch Systeme, wo auf die Oberfläche eines Werkstoffs eine Schicht aus einem zweiten Werkstoff aufgebracht wird. Im Falle von Verbundwerkstoffen spielt das Wissen um deren Herstellung eine besondere Rolle. Das Verständnis der Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verlangt ein gutes Verständnis ihres Aufbaus und der chemischen, physikalischen, mechanischen Wechselwirkung ihrer Komponenten.