1. Einführung: Warum Zugfestigkeit wichtig ist

Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul gehören zu den wichtigsten Parametern zur Bewertung der strukturellen Leistungsfähigkeit. In Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik, Industriemaschinen, Energiespeicherung und druckbeständigen Strukturen hängt die Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffen stark vom Fasertyp, der Faserorientierung und der Anzahl der Verstärkungsschichten ab.

Diese Untersuchung konzentriert sich auf die Analyse der mechanischen Leistung von Verbundwerkstoffen aus Carbonfasern und Glasfasern mithilfe standardisierter ISO-527-Zugtests. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse darüber, wie die Schichtanzahl die Zugfestigkeit und Steifigkeit von Verbundstrukturen direkt beeinflusst.

2. Forschungsmethodik: ISO-527-Zugtestnormen

Die Zugtests wurden nach ISO-527-Probenstandards durchgeführt, um Konsistenz und Genauigkeit sicherzustellen. Es wurden zwei Verbundstofftypen untersucht:

• Kontinuierlich verstärkte Carbonfaserlaminate
• Glasfaserverbundwerkstoffe basierend auf Chopped Strand Mat (CSM)

Alle Proben wurden mit einer Polymermatrix hergestellt, die ein Katalysatorverhältnis von 10:1 aufwies, um eine angemessene Aushärtung und die Reproduktion industrieller Produktionsbedingungen sicherzustellen.

3. Schlüsselergebnisse: Die Schichtanzahl bestimmt die Leistungsstärke

3.1 Zweilagige Carbonfaser: Die beste mechanische Leistung

Die Untersuchung ergab, dass die Verbundprobe mit zwei Lagen Carbonfaser die besten mechanischen Ergebnisse erreichte:

• Zugfestigkeit: 100,76 MPa
• Maximale Dehnung: 1,76 % (gering, was auf hohe Steifigkeit hinweist)
• Elastizitätsmodul: 5708,4 MPa

Diese Ergebnisse bestätigen, dass eine erhöhte Anzahl von Verstärkungsschichten die Steifigkeit, Tragfähigkeit und Gesamtzugleistung erheblich verbessert.

3.2 Einstellige Carbonfaser: Niedrigste Zugfestigkeit

Die niedrigste mechanische Leistung wurde bei der Probe mit nur einer Carbonfaserschicht festgestellt:

• Zugfestigkeit: 19,877 MPa

Dieses Ergebnis zeigt die Einschränkungen eines eindimensionalen Schichtaufbaus und verdeutlicht, wie unzureichende Verstärkung die mechanische Leistung reduziert.

3.3 Carbonfaser vs. Glasfaser: Unterschiede geringer als erwartet

Frühere Studien deuten darauf hin, dass die Unterschiede in der Zugfestigkeit zwischen Carbon- und Glasfaserverbundstoffen bei einlagigen Materialien nicht drastisch ausfallen. Diese Untersuchung bestätigt jedoch, dass die Schichtkonfiguration – und nicht der Fasertyp – der dominierende Faktor ist, der folgende Eigenschaften bestimmt:

• Zugfestigkeit
• Elastizitätsmodul
• Steifigkeit
• Traglastverteilung

4. Diskussion: Warum die Schichtkonfiguration entscheidend ist

Die mechanische Überlegenheit des mehrlagigen Carbonfaserverbunds ist auf folgende Faktoren zurückzuführen:

• Effizientere Lastübertragung zwischen Faser und Matrix
• Bessere Verformungsresistenz unter Zugbeanspruchung
• Höhere strukturelle Stabilität und geringeres Risiko von Delamination
• Steigerung des Elastizitätsmoduls proportional zur Schichtanzahl

Diese Eigenschaften machen mehrlagige Carbonfaserverbundstoffe ideal für technische Bauteile, bei denen hoher Modul, Festigkeit und Dauerhaltbarkeit entscheidend sind.

5. Fazit: Zweilagige Carbonfaser ist die optimale Wahl

Basierend auf den ISO-527-Zugtests bestätigen die Ergebnisse, dass zweilagige Carbonfaserlaminate die höchste Zugfestigkeit und Steifigkeit bieten. Sie übertreffen einlagige Carbonfaser- und Glasfaserverbundstoffe in jeder wichtigen mechanischen Kategorie.

Für technische Anwendungen, die leichte, hochfeste und dimensionsstabile Materialien erfordern – insbesondere in industriell anspruchsvollen Umgebungen – sind zweilagige Carbonfaserverbundwerkstoffe die optimale Materialwahl.