Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (FRC) bestehen aus zwei oder mehr Komponenten: einer Matrix und einer Verstärkung. Die Matrix ist meist ein Polymer, Metall oder eine Keramik, die die Verstärkung zusammenbindet und vor Umweltschäden schützt. Die Verstärkung ist typischerweise eine Faser — Kohlenstoff, Glas oder Aramid —, die dem Verbund Festigkeit und Steifigkeit gibt.
Die Herstellung von FRC gliedert sich in vier Hauptschritte: Faservorbereitung, Matrixvorbereitung, Fasertränkung und Verbundverdichtung.
Faservorbereitung
Dieser Schritt umfasst die Wahl von Fasertyp, -form und -orientierung im Verbund. Der Fasertyp bestimmt die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbunds — Zugfestigkeit, Modul, Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Faserform kann endlos oder diskontinuierlich sein, je nach gewünschter Form und Größe des Verbunds. Die Faserorientierung kann unidirektional, bidirektional oder multidirektional sein, je nach Belastungsbedingungen und Konstruktionsanforderungen.
Matrixvorbereitung
Dieser Schritt umfasst die Wahl von Matrixtyp und -form im Verbund. Der Matrixtyp beeinflusst chemische und physikalische Eigenschaften — Korrosionsbeständigkeit, Dichte, Schmelzpunkt. Die Matrixform kann flüssig oder fest sein, je nach Verarbeitungsmethode und Aushärtebedingungen. Flüssige Matrizen sind meist duroplastische Polymere, die Wärme oder chemische Mittel zum Aushärten und Erstarren brauchen; feste Matrizen sind meist thermoplastische Polymere oder Metalle, die Wärme und Druck zum Schmelzen und Fließen brauchen.
Fasertränkung
Dieser Schritt verbindet Fasern und Matrix zu einem Vorformling oder einem Prepreg. Ein Vorformling ist ein Halbzeug mit Form und Maßen des endgültigen Verbunds, aber noch nicht ausgehärtet oder verdichtet. Ein Prepreg ist eine vorgetränkte Faser, die teilausgehärtet oder stabilisiert ist und für spätere Verwendung gelagert werden kann. Verfahren zum Tränken von Fasern mit Matrizen sind Handlaminieren, Spritzlaminieren, Wickelverfahren, Pultrusion, Harzinjektionsverfahren, Vakuuminfusion, Autoklavformen, Formpressen, Spritzgießen und Stempelumformen.
Verbundverdichtung
Dieser letzte Schritt wendet Wärme und Druck auf den Vorformling oder das Prepreg an und härtet und verbindet Fasern und Matrix zu einem festen Verbund. Das Aushärten umfasst chemische Reaktionen, die die Moleküle der Matrix zu einem starren Netzwerk vernetzen; das Verbinden umfasst physikalische Wechselwirkungen, die Fasern und Matrix aneinander haften lassen. Dieser Verdichtungsprozess prägt Qualität und Leistung des Verbunds — Lufteinschlussanteil, Harzverteilung, Faservolumenanteil, Grenzflächenfestigkeit und Eigenspannungen.