Verbundwerkst. - Werkstoffverbunde an der Hochschule Ravensburg-Weingarten | Karteikarten & Zusammenfassungen

Lernmaterialien für Verbundwerkst. - Werkstoffverbunde an der Hochschule Ravensburg-Weingarten

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2. Nennen Sie jeweils zwei anorganische, organische / Synthesefasern.

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Anorganisch:

- Glasfaser

-   Siliziumoxidfaser

- Siliziumcarbidfaser

- Aluminiumoxidfaser (Mischoxide)

- Basaltfaser (Mischoxide)

 

Organisch

- Polyethylen

- Aramidfaser

- Polyamid

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3. Weshalb müssen Glasfasern im Verbund mit einer organischen Matrix mit einem Haftvermittler versehen werden? Auf welcher Substanz basieren diese Haftvermittler.

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Um ein qualitativ hochwertiges Laminat

zu realisieren, müssen die Fasern optimal

in die Matrix (dem Einbettungswerkstoff)

eingebettet werden.

D.h. eine optimale Adhäsion zwischen

Faseroberfläche und Matrix muss gewährleistet

sein. Dies ist vor allem bei der anorganischen Glasfaser

in Interaktion mit einer organischen Matrix, z.B. Epoxid,

kritisch. Um die Adhäsion zu gewährleisten, werden

Haftvermittler (Schlichten) eingesetzt.

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4. Erklären Sie in wenigen Stichworten die Herstellung der HT und HM – Kohlenstofffasern (Ausgangswerkstoff PAN).

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HT – hochfest (High Tensity / High Tenacity) 

HM – hochsteif (High Modulus)

Polymerisation -> (Nass)- spinnen -> Verstrecken -> Stabilisierung (Oxidation) -> Carbonisierung (Oberflächenbehandlung)

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5. Nennen Sie drei Kohlenstoffmodifikationen und deren Einsatzbereiche.

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Graphit: (Kovalente und Van der Waals Kräfte) in Elektroden, Bleistiften und Schmiermitte

-> kovalente hexagonal gebundene Kohlenstoffatome formen hochfeste Ebenen welche untereinander nur locker über Van-Der-Waals-Kräfte gebunden sind

Diamanten: Schmuck, Diamantbohrer (Bohrspitze), Schleifstein

-> kovalent tetragonal gebundene Kohlenstoffatome

Fullerene: Katalysator, Anti-Aging Creme, Halbleiter

-> reguläres hexagonales Wabenmuster

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6. Was versteht man unter einer MPP-Kohlenstofffaser.

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MesoPhasenPech-Kohlenstofffaser

 

Hat ggü. PAN höheren Kohlenstoffanteil (ca. 28%), es wird daraus vorwiegend HM & UHM-Fasern synthetisiert.

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7. Nennen Sie zwei Vor- und zwei Nachteile der Aramidfaser. Erläutern Sie einen Anwendungsfall, bei dem die Vorteile der Aramidfaser genutzt werden.

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  • Vorteil: hohe Zugfestigkeit, thermische Beständigkeit, sehr hohe Zähigkeit, chemische Beständigkeit, gutes Dämpfungsvermögen
  • Nachteil: nicht UV-Licht beständig, Alterung, teure Bearbeitung
  • Anwendung: Schussweste, Cockpit-Türe, gute Motoradhelme, Sicherheitsstrukturen

Aramid-molekülketten bilden Schlaufen in Matrix, dadurch hohes Arbeitsaufnahmevermögen

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 Welche Thermoplaste stecken hinter dem Handelsnamen Kevlar und Dyneema?

 

Durch welche fertigungstechnische Maßnahme werden deren mechanische Eigenschaften optimiert (insbesonder Zugfestigkeit und E-Modul)?

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  • Kevlar: auch Polyaramide oder aromatische Polyamide genann Poly(p-phenylenterephthalamid PPTA); Aramide
  • Dyneema: synthetische Chemiefaser auf der Basis von Polyethylen mit ultrahoher molarer Masse (Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene = UHMW-PE)
  • Nach dem klassischen Spinnprozess, welches unter Verwendung eines Luftspalts zwischen Spinndüsen und Spinnbad stattfindet, hat das Garn nach dem Trocknen eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul. In einer zweiten Prozessstufe kann das Garn bei Temperaturen von 300 °C bis 400 °C verstreckt werden. Dies führt zu einem noch höheren Modul bei gleicher Festigkeit und geringerer Bruchdehnung. 
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10. Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil der folgenden Verstärkungstextilien:

Köper-Gewebe, Gelege, Wirrfasermatte, 3D-Gewebe

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Körper-Gewebe

               + Gute Handhabbarkeit

               - Hohe Faserumlenkung

Gelege

               + hohe mechanische Eigenschaften in Vorzugsrichtung

               - geringe Schiebefestigkeit

Wirrfasermatte

                + homogene mechanische Eigenschaften in X- & Y-Richtung

               - geringe Verstärkungswirkung ggü. Endlosfaser-Gewebe /-Gelege

3D-Gewebe

               + Verstärkung in Z-Richtung

               - Aufwändige Herstellungsverfahren nötig

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11. Was versteht man unter den Begriffen Preform und Prepreg?

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Preform: - trockene Verstärkungsstruktur, zur Herstellung von 2D oder 3D Bauteilstrukturen

=> endkonturnaher Faservorförmling 

Prepreg:  - mit Reaktionsharz vorimprägnierte Halbzeuge 
=> leichte Handhabbarkeit, bessere Reproduzierbarkeit 


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12. Nennen Sie jeweils drei duromere und thermoplastische Matrixwerkstoffe.

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Duromere        (meist mit Lösungsmittelimprägnierung)

i.          EP Epoxidharz

ii.         UP ungesättigtes Polyesterharz

iii.        PF Phenol-Formaldehydharz

iv.        VE Venylesterharz

 

Thermoplaste         (meist mit Schmelzimprägnierung)

i.          PP Polypropylen

ii.         PC polycarbonat
iii.        PA polyamid

iii.        PSU Polysulfon

iv.        PEI Polyetherimid

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14. Nennen und erklären Sie jeweils ein Produktbeispiel zu: CERMET, MMC und CMC

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CERMET 

Cermet (Werkstofftechnik) Cermets (zusammengesetzt aus engl. ceramic und metal) sind Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix (Bindemittel). Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus.

Bsp. Schneideplättchen einer Drehmaschine 

 

Metal Matrix Composite MMC 

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (engl. metal matrix composite, MMC) bestehen aus einer zusammenhängenden Metallmatrix mit einer diskontinuierlichen keramischen oder organischen Verstärkung in ihrem Inneren, häufig in Form von Fasern oder Whiskern. Auch so genannte Preform-MMCs, bei denen beide Phasen kontinuierlich sind, werden häufig als MMCs bezeichnet. 

Eine der ersten Anwendungen war der Einsatz im Space Shuttle-Programm ca. 1975. Dabei handelte es sich um einen sehr leichten (ca. 1,8–3,5 g/cm³), schwer zerspanbarer Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmeausdehnung

 

Ceramic Matrix Composite

Keramische Faserverbundwerkstoffe sind eine Werkstoffklasse innerhalb der Gruppe der Verbundwerkstoffe oder auch der technischen Keramiken. Sie sind charakterisiert durch eine zwischen Langfasern eingebettete Matrix aus normaler Keramik, die durch keramische Fasern verstärkt wird und so zur faserverstärkten Keramik, Verbundkeramik oder auch einfach Faserkeramik wird. In der deutschen Fachliteratur wird die Werkstoffklasse häufig auch auf Englisch als Ceramic Matrix Composites bezeichnet und mit CMC abgekürzt.

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1. Weshalb weist ein unidirektional faserverstärkter Verbundwerkstoff meist bessere mechanische Kennwerte auf als die Grundwerkstoffe?

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  • Zusammenspiel zwischen Faser und Kunststoffmatrix
  • Faser kann hohe Zugkräfte, aber keine Biegung
  • Höchste mechanische Eigenschaft bei endlos und gerichtet (unidirektional und isotrop), je dünner der Querschnitt desto besser
  • Abminderung bei endlich und ungerichtet (anisotrop)
  • Bei Versagen löst sich die Verbindung zwischen Faser und Matrix
  • Bei Druckbelastung wird „umwickelt“, um zu unterstützen
  • Je nach Belastungsfall und Anwendung kann der Faserverbundwerkstoff maßgeschneidert werden, durch Variation der Faser-Art, sowie Faser-Anordnung
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Q:

2. Nennen Sie jeweils zwei anorganische, organische / Synthesefasern.

A:

Anorganisch:

- Glasfaser

-   Siliziumoxidfaser

- Siliziumcarbidfaser

- Aluminiumoxidfaser (Mischoxide)

- Basaltfaser (Mischoxide)

 

Organisch

- Polyethylen

- Aramidfaser

- Polyamid

Q:

 

3. Weshalb müssen Glasfasern im Verbund mit einer organischen Matrix mit einem Haftvermittler versehen werden? Auf welcher Substanz basieren diese Haftvermittler.

A:

 

Um ein qualitativ hochwertiges Laminat

zu realisieren, müssen die Fasern optimal

in die Matrix (dem Einbettungswerkstoff)

eingebettet werden.

D.h. eine optimale Adhäsion zwischen

Faseroberfläche und Matrix muss gewährleistet

sein. Dies ist vor allem bei der anorganischen Glasfaser

in Interaktion mit einer organischen Matrix, z.B. Epoxid,

kritisch. Um die Adhäsion zu gewährleisten, werden

Haftvermittler (Schlichten) eingesetzt.

Q:

 

4. Erklären Sie in wenigen Stichworten die Herstellung der HT und HM – Kohlenstofffasern (Ausgangswerkstoff PAN).

A:

HT – hochfest (High Tensity / High Tenacity) 

HM – hochsteif (High Modulus)

Polymerisation -> (Nass)- spinnen -> Verstrecken -> Stabilisierung (Oxidation) -> Carbonisierung (Oberflächenbehandlung)

Q:

 

5. Nennen Sie drei Kohlenstoffmodifikationen und deren Einsatzbereiche.

A:

Graphit: (Kovalente und Van der Waals Kräfte) in Elektroden, Bleistiften und Schmiermitte

-> kovalente hexagonal gebundene Kohlenstoffatome formen hochfeste Ebenen welche untereinander nur locker über Van-Der-Waals-Kräfte gebunden sind

Diamanten: Schmuck, Diamantbohrer (Bohrspitze), Schleifstein

-> kovalent tetragonal gebundene Kohlenstoffatome

Fullerene: Katalysator, Anti-Aging Creme, Halbleiter

-> reguläres hexagonales Wabenmuster

Q:

 

6. Was versteht man unter einer MPP-Kohlenstofffaser.

A:

 

MesoPhasenPech-Kohlenstofffaser

 

Hat ggü. PAN höheren Kohlenstoffanteil (ca. 28%), es wird daraus vorwiegend HM & UHM-Fasern synthetisiert.

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Q:

 

7. Nennen Sie zwei Vor- und zwei Nachteile der Aramidfaser. Erläutern Sie einen Anwendungsfall, bei dem die Vorteile der Aramidfaser genutzt werden.

A:
  • Vorteil: hohe Zugfestigkeit, thermische Beständigkeit, sehr hohe Zähigkeit, chemische Beständigkeit, gutes Dämpfungsvermögen
  • Nachteil: nicht UV-Licht beständig, Alterung, teure Bearbeitung
  • Anwendung: Schussweste, Cockpit-Türe, gute Motoradhelme, Sicherheitsstrukturen

Aramid-molekülketten bilden Schlaufen in Matrix, dadurch hohes Arbeitsaufnahmevermögen

Q:

 Welche Thermoplaste stecken hinter dem Handelsnamen Kevlar und Dyneema?

 

Durch welche fertigungstechnische Maßnahme werden deren mechanische Eigenschaften optimiert (insbesonder Zugfestigkeit und E-Modul)?

A:
  • Kevlar: auch Polyaramide oder aromatische Polyamide genann Poly(p-phenylenterephthalamid PPTA); Aramide
  • Dyneema: synthetische Chemiefaser auf der Basis von Polyethylen mit ultrahoher molarer Masse (Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene = UHMW-PE)
  • Nach dem klassischen Spinnprozess, welches unter Verwendung eines Luftspalts zwischen Spinndüsen und Spinnbad stattfindet, hat das Garn nach dem Trocknen eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul. In einer zweiten Prozessstufe kann das Garn bei Temperaturen von 300 °C bis 400 °C verstreckt werden. Dies führt zu einem noch höheren Modul bei gleicher Festigkeit und geringerer Bruchdehnung. 
Q:

10. Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil der folgenden Verstärkungstextilien:

Köper-Gewebe, Gelege, Wirrfasermatte, 3D-Gewebe

A:

Körper-Gewebe

               + Gute Handhabbarkeit

               - Hohe Faserumlenkung

Gelege

               + hohe mechanische Eigenschaften in Vorzugsrichtung

               - geringe Schiebefestigkeit

Wirrfasermatte

                + homogene mechanische Eigenschaften in X- & Y-Richtung

               - geringe Verstärkungswirkung ggü. Endlosfaser-Gewebe /-Gelege

3D-Gewebe

               + Verstärkung in Z-Richtung

               - Aufwändige Herstellungsverfahren nötig

Q:

 

11. Was versteht man unter den Begriffen Preform und Prepreg?

A:

Preform: - trockene Verstärkungsstruktur, zur Herstellung von 2D oder 3D Bauteilstrukturen

=> endkonturnaher Faservorförmling 

Prepreg:  - mit Reaktionsharz vorimprägnierte Halbzeuge 
=> leichte Handhabbarkeit, bessere Reproduzierbarkeit 


Q:

 

12. Nennen Sie jeweils drei duromere und thermoplastische Matrixwerkstoffe.

A:

Duromere        (meist mit Lösungsmittelimprägnierung)

i.          EP Epoxidharz

ii.         UP ungesättigtes Polyesterharz

iii.        PF Phenol-Formaldehydharz

iv.        VE Venylesterharz

 

Thermoplaste         (meist mit Schmelzimprägnierung)

i.          PP Polypropylen

ii.         PC polycarbonat
iii.        PA polyamid

iii.        PSU Polysulfon

iv.        PEI Polyetherimid

Q:

 

14. Nennen und erklären Sie jeweils ein Produktbeispiel zu: CERMET, MMC und CMC

A:

 

CERMET 

Cermet (Werkstofftechnik) Cermets (zusammengesetzt aus engl. ceramic und metal) sind Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix (Bindemittel). Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus.

Bsp. Schneideplättchen einer Drehmaschine 

 

Metal Matrix Composite MMC 

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (engl. metal matrix composite, MMC) bestehen aus einer zusammenhängenden Metallmatrix mit einer diskontinuierlichen keramischen oder organischen Verstärkung in ihrem Inneren, häufig in Form von Fasern oder Whiskern. Auch so genannte Preform-MMCs, bei denen beide Phasen kontinuierlich sind, werden häufig als MMCs bezeichnet. 

Eine der ersten Anwendungen war der Einsatz im Space Shuttle-Programm ca. 1975. Dabei handelte es sich um einen sehr leichten (ca. 1,8–3,5 g/cm³), schwer zerspanbarer Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmeausdehnung

 

Ceramic Matrix Composite

Keramische Faserverbundwerkstoffe sind eine Werkstoffklasse innerhalb der Gruppe der Verbundwerkstoffe oder auch der technischen Keramiken. Sie sind charakterisiert durch eine zwischen Langfasern eingebettete Matrix aus normaler Keramik, die durch keramische Fasern verstärkt wird und so zur faserverstärkten Keramik, Verbundkeramik oder auch einfach Faserkeramik wird. In der deutschen Fachliteratur wird die Werkstoffklasse häufig auch auf Englisch als Ceramic Matrix Composites bezeichnet und mit CMC abgekürzt.

Q:

 

1. Weshalb weist ein unidirektional faserverstärkter Verbundwerkstoff meist bessere mechanische Kennwerte auf als die Grundwerkstoffe?

A:
  • Zusammenspiel zwischen Faser und Kunststoffmatrix
  • Faser kann hohe Zugkräfte, aber keine Biegung
  • Höchste mechanische Eigenschaft bei endlos und gerichtet (unidirektional und isotrop), je dünner der Querschnitt desto besser
  • Abminderung bei endlich und ungerichtet (anisotrop)
  • Bei Versagen löst sich die Verbindung zwischen Faser und Matrix
  • Bei Druckbelastung wird „umwickelt“, um zu unterstützen
  • Je nach Belastungsfall und Anwendung kann der Faserverbundwerkstoff maßgeschneidert werden, durch Variation der Faser-Art, sowie Faser-Anordnung
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