Wissenschaft

Geschichte und Entwicklung von Verbundwerkstoffen

Wenn zwei oder mehr verschiedene Materialien kombiniert werden, entsteht ein Verbundwerkstoff. Die ersten Verwendungszwecke von Verbundwerkstoffen stammen aus dem Jahr 1500 v. Chr., Als frühe Ägypter und mesopotamische Siedler eine Mischung aus Schlamm und Stroh verwendeten, um starke und dauerhafte Gebäude zu schaffen. Stroh verstärkte weiterhin alte Verbundprodukte wie Keramik und Boote.

Später, 1200 n. Chr., Erfanden die Mongolen den ersten Verbundbogen. Unter Verwendung einer Kombination aus Holz, Knochen und „Tierkleber“ wurden Bögen gepresst und mit Birkenrinde umwickelt. Diese Bögen waren kraftvoll und genau. Zusammengesetzte mongolische Bögen trugen dazu bei, die militärische Dominanz von Dschingis Khan sicherzustellen.

 

Geburt der „Kunststoff-Ära“

Die moderne Ära der Verbundwerkstoffe begann mit der Entwicklung von Kunststoffen durch Wissenschaftler. Bis dahin waren Naturharze aus Pflanzen und Tieren die einzige Quelle für Leime und Bindemittel. In den frühen 1900er Jahren wurden Kunststoffe wie Vinyl, Polystyrol, Phenol und Polyester entwickelt. Diese neuen synthetischen Materialien übertrafen einzelne aus der Natur stammende Harze.

Kunststoffe allein könnten jedoch für einige strukturelle Anwendungen nicht genügend Festigkeit bieten. Eine Verstärkung war erforderlich, um zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit bereitzustellen.

1935 führte Owens Corning die erste Glasfaser ein, Glasfaser. Fiberglas hat in Kombination mit einem Kunststoffpolymer eine unglaublich starke Struktur geschaffen, die auch leicht ist. Dies ist der Beginn der Branche der faserverstärkten Polymere (FRP).

 

WWII – Frühzeitige Innovation von Verbundwerkstoffen vorantreiben

Viele der größten Fortschritte bei Verbundwerkstoffen waren das Ergebnis von Kriegsbedürfnissen. Gerade als die Mongolen den Verbundbogen entwickelten, brachte der Zweite Weltkrieg die FRP-Industrie aus dem Labor in die eigentliche Produktion.

Für leichte Anwendungen in Militärflugzeugen wurden alternative Materialien benötigt. Die Ingenieure erkannten bald andere Vorteile von Verbundwerkstoffen, die nicht nur leicht und stark waren. Es wurde zum Beispiel entdeckt, dass Glasfaserverbundwerkstoffe für Radiofrequenzen transparent waren, und das Material wurde bald für den Schutz elektronischer Radargeräte (Radome) angepasst.

 

Anpassung von Verbundwerkstoffen: „Weltraumzeitalter“ an „Alltag“

Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs war eine kleine Nischen-Verbundwerkstoffindustrie in vollem Gange. Aufgrund der geringeren Nachfrage nach Militärprodukten versuchten die wenigen Innovatoren von Verbundwerkstoffen nun ehrgeizig, Verbundwerkstoffe in anderen Märkten einzuführen. Boote waren ein offensichtliches Produkt, das davon profitierte. Der erste kommerzielle Verbundbootsrumpf wurde 1946 eingeführt.

Zu dieser Zeit entwickelte Brandt Goldsworthy, der oft als „Großvater der Verbundwerkstoffe“ bezeichnet wird, viele neue Herstellungsverfahren und -produkte, darunter das erste Glasfaser-Surfbrett, das den Sport revolutionierte.

Goldsworthy erfand auch ein Herstellungsverfahren, das als Pultrusion bekannt ist und ein Verfahren ermöglicht, das zuverlässig starke glasfaserverstärkte Produkte ermöglicht. Zu den heute nach diesem Verfahren hergestellten Produkten gehören Leiterschienen, Werkzeuggriffe, Rohre, Pfeilschäfte, Panzerungen, Zugböden und medizinische Geräte.

 

Kontinuierliche Weiterentwicklung von Verbundwerkstoffen

In den 1970er Jahren begann die Verbundwerkstoffindustrie zu reifen. Es wurden bessere Kunststoffharze und verbesserte Verstärkungsfasern entwickelt. DuPont entwickelte eine Aramidfaser namens Kevlar, die aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit, hohen Dichte und ihres geringen Gewichts zum bevorzugten Produkt für Körperschutzpanzer geworden ist. Um diese Zeit wurde auch Kohlefaser entwickelt; Zunehmend wurden Teile ersetzt, die früher aus Stahl bestanden.

Die Verbundwerkstoffindustrie entwickelt sich weiter, wobei sich ein Großteil des Wachstums jetzt auf erneuerbare Energien konzentriert. Insbesondere Windturbinenblätter verschieben ständig die Größengrenzen und erfordern fortschrittliche Verbundwerkstoffe.

 

Ich freue mich auf

Die Verbundwerkstoffforschung geht weiter. Bereiche von besonderem Interesse sind Nanomaterialien – Materialien mit extrem kleinen Molekülstrukturen – und biobasierte Polymere.

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