Wir erwarten eine ganze Menge von unseren Verbundwerkstoffen: Baumaterialien für Raketen müssen die extreme Wärmeentwicklung beim Start verkraften, Windturbinen müssen starken Böen standhalten und Sportschuhe sollen strapazierbar sein und den Fuß über lange Strecken stützen. Wie entwickeln die Experten solche Verbundwerkstoffe für ganz bestimmte Anwendungsbereiche, und wie überprüfen sie die Materialeigenschaften?

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien, die miteinander verbunden sind, jedoch innerhalb der Werkstoffstruktur auf makroskopischer oder mikroskopischer Ebene weiterhin getrennt vorliegen. Der so geschaffene Kompositwerkstoff bietet andere Eigenschaften als jede seiner Komponenten allein. Dies gibt Materialforschern die Möglichkeit, durch optimale Formulierung Verbundwerkstoffe für spezifische Anwendungen zu entwickeln, jedoch nur, wenn sie zuvor umfangreiche Tests durchführen können, um die Materialeigenschaften genau zu charakterisieren.

Um die Nachfrage nach leichten, zuverlässigen Produkten zu bedienen, setzen Hersteller von Verbundwerkstoffen heute hochmoderne Analysetechnologien ein. Indem sie im ersten Schritt die Materialien und Produktprototypen charakterisieren, sind sie in der Lage, die hohen Erwartungen ihrer Kunden an die Leistungsattribute bezüglich Stärke, Wärmebeständigkeit, Adhäsion und Langlebigkeit zu erfüllen.

Wie nutzen führende Verbundwerkstoffforscher in Laboren weltweit die Materialanalyse, um die Eigenschaften ihrer Produkte zu verbessern? Entdecken Sie die wichtigsten materialwissenschaftlichen Techniken zur Prüfung von Verbundwerkstoffen für unterschiedlichste Anwendungszwecke und Industriebereiche anhand von Praxisbeispielen aus der Forschung:

Dynamische Differenzkalorimeter (Differential Scanning Calorimeter, DSC) messen die mit den thermischen Übergängen in einem Werkstoff assoziierten Temperaturen und Wärmeströme. Dynamische Differenzkalorimeter quantifizieren wichtige Leistungsmetriken von Verbundwerkstoffen wie die Glasübergangstemperatur (Tg), den Gelpunkt und die Aushärtungszeit.

Professor Mohamed Rady an der Universität von Bordeaux verwendete ein dynamisches Differenzkalorimeter bei seiner Erforschung der Phasenübergänge granulärer Verbundwerkstoffe.¹ Er konzentrierte sich insbesondere auf die Schmelzung und Erstarrung, wozu er ein einfaches Verfahren entwickelte, um mit dem dynamischen Differenzkalorimeter genaueste Ergebnisse zu erzielen.

Die Forschenden Rivière, Caussé, Lonjon, Dantras und Lacabanne am Labor CIRIMAT der Universität Paul Sabatier setzten ein Modulated dynamisches Differenzkalorimeter ein, um die Auswirkungen von Silber-Nanopartikel-Zusätzen auf eine Polymermatrix (Polyetheretherketon) zu untersuchen.² Dank den genauen Messungen der Wärmeleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapazität waren sie in der Lage, die Mechanismen des Wärmetransports in dem Material besser zu verstehen. Die gewonnenen Daten tragen zur Optimierung der Materialmischung zur Konstruktion von Verbundwerkstoffen für spezifische Anwendungen bei.

Die Reihe Discovery DSC von TA Instruments bietet die patentierte Tzero™ DSC Technology für genauere Wärmestrommessungen mit flacheren Basislinien, besserer Auflösung bei der Erkennung thermischer Übergänge und höherer Empfindlichkeit. Experimente auf einem dynamischen Differenzkalorimeter von TA mit Modulated® DSC (MDSC®) sind nicht nur schneller, sondern auch genauer. Eine noch höhere Produktivität bietet das einzigartige Multi-Sample X3 DSC, mit dem der Wärmestrom in bis zu drei Proben gleichzeitig gemessen werden kann.

Rheologie ist die Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materialien beschäftigt. Die Verformung wird mithilfe der Verzerrungstensoren charakterisiert, das Fließverhalten mithilfe der Verformungsgeschwindigkeit. Diese beschreiben, welche Entfernung ein Körper unter der Einwirkung einer äußeren Kraft bzw. mechanischen Spannung zurücklegt.

So nutzte Professor Ogah an der Ebonyi State University ein Rheometer, um die Auswirkungen von Füllstoffen und Additiven bei der Verarbeitung von Holz-Kunststoff-Verbundstoffen zu messen.³ Ogah verarbeitete natürliche Fasern mit thermoplastischen Polymeren zu Matrixmaterialien, um Kompositwerkstoffe mit Naturfaseranteil zu erstellen. Dann analysierte er unter Verwendung eines Discovery-Hybrid-Rheometers von TA Instruments, wie die unterschiedlichen Arten, Mengen, Partikelgrößen und Formen der Fasern die Fließeigenschaften des entstandenen Verbundwerkstoffs beeinflussten.

Dank der einzigartigen Technologie kann mit einem Rheometer sowohl die Viskosität als auch die Viskoelastizität gemessen werden. Und mit dem Discovery-Hybrid-Rheometer von TA Instruments können Sie außerdem auf einfache Weise die Unterschiede in der Mikrostruktur identifizieren, was mit Viskosimetern oder Kapillarrheometern nicht möglich ist. Messungen dieser Art sind insbesondere nützlich, um zu untersuchen, wie die Materialien von Verbundwerkstoffen auf mikroskopischer Ebene miteinander interagieren.

Die Ergebnisse mechanischer Prüfungen helfen Forschern dabei, die mechanischen Eigenschaften eines Materials zu charakterisieren oder zu untersuchen, wie eine Struktur auf eine bestimmte Krafteinwirkung reagiert. Diese Informationen brauchen Entwickler von Verbundwerkstoffen zur Quantifizierung des Versagens, der Ermüdung und des Scher- oder Kriechverhaltens ihrer Ausgangsmaterialien, um bessere Produkte für bestimmte Anwendungen zu schaffen.

Garces und Ayranci von der University of Alberta entwickelten einen neuen Ansatz für die Fertigung und Aktivierung eines Polymer-Verbundwerkstoffs mit Formgedächtnis (Shape Memory Polymer Composite, SMPC) durch Widerstandsheizung bei der extrusionsbasierten additiven Fertigung.⁴ Sie verwendeten eine ElectroForce-Zugfestigkeitsprüfmaschine von TA Instruments mit thermischer Konditionierung, um die Auswirkungen von Verformungen des Polymer-Verbundwerkstoffs mit Formgedächtnis unter spezifischen Verarbeitungsbedingungen zu beurteilen. Ihre Forschungsergebnisse werden heute von anderen Herstellern genutzt, um mit derselben Technik erfolgreich Polymer-Verbundwerkstoffe mit Formgedächtnis für vielfältige Anwendungsbereiche zu produzieren, darunter biomedizinische Stents, Sportgeräte und unbemannte Flugfahrzeuge (Drohnen).

Führende Labore in aller Welt verlassen sich auf die mechanischen Prüfgeräte der Reihe ElectroForce, um die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen zu untersuchen – sei es für die Entwicklung robuster Konstruktionswerkstoffe oder biokompatibler Knochenersatzmaterialien. Die ElectroForce-Lastrahmen eignen sich für eine breite Palette von Kraftanwendungen, und mit dem Multi-Specimen-Fatigue-Instrument können Ermüdungsprüfungen an bis zu 16 Proben gleichzeitig durchgeführt werden, um Dauerbelastungsstudien zu beschleunigen.

Diese Beispiele aus der Forschung illustrieren nur einige der zahlreichen Möglichkeiten, die Ihnen unsere Instrumente und Techniken bieten, um sämtliche Materialeigenschaften Ihrer Verbundwerkstoffe zu analysieren. Entdecken Sie unsere führenden Technologielösungen auf der Seite zu Verbundwerkstoffen und finden Sie das richtige Gerät für Ihre Anforderungen in der Kompositentwicklung und -fertigung.

Wir beraten Sie gerne bei der Auswahl der besten Technik für Ihr Labor. Kontaktieren Sie TA Instruments, um einen Termin mit einem unserer Verbundwerkstoff-Experten zu vereinbaren.