Ist Fiberglas leicht zu zerbrechen?

Glasfaser ist ein Faserwerkstoff, der durch ein spezielles Verfahren aus Glas hergestellt wird. Er zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität aus und findet breite Anwendung im Bauwesen, in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie in der Schifffahrtsindustrie.

 

Glasfaserzusammensetzung

Die Hauptkomponente von Fiberglas Glasfaser besteht im Wesentlichen aus Glas (meist Siliziumdioxid), dem während des Herstellungsprozesses geringe Mengen anderer Oxide (wie Aluminiumoxid, Calcium, Magnesium usw.) zugesetzt werden, um seine Eigenschaften zu optimieren. Diese Komponenten verleihen Glasfaser eine hohe Zugfestigkeit (typischerweise im Bereich von 1.000–2.500 MPa) sowie gute Hochtemperatureigenschaften und chemische Stabilität.

 

Vergleich zwischen Fiberglas und Stahl

Stahl wird durch Wärmebehandlung und Legierungsprozesse aus Eisenlegierungen hergestellt und zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit und ausgeprägte Duktilität aus. Die Kristallstruktur des Stahls ermöglicht es den Atomen, sich unter dem Einfluss äußerer Kräfte zu verschieben und Versetzungen auszuführen. Dadurch verformt sich das Material beim Dehnen, Stauchen oder Biegen, anstatt zu brechen. Stahl besitzt typischerweise eine hohe Zähigkeit, kann Energie absorbieren und sich bei Stößen plastisch verformen, wodurch ein plötzlicher Bruch verhindert wird.

 

Im Gegensatz zu Stahl unterscheidet sich das Bruchverhalten von Glasfaser. Stahl kann dank seiner Duktilität größeren äußeren Kräften standhalten, ohne zu brechen, während Glasfaser zwar eine hohe Steifigkeit, aber eine geringe Duktilität aufweist. Wird Glasfaser beansprucht, lässt sich die äußere Spannung nur schwer in innere Verformung umwandeln, was zur schnellen Rissbildung an Spannungskonzentrationspunkten und schließlich zum Bruch führt. Obwohl Glasfaser also die Festigkeit von Stahl erreichen kann, ist ihr Bruchverhalten deutlich spröder, insbesondere bei plötzlichen Stößen oder starker Biegung, wodurch sie anfällig für Sprödbrüche ist.

 

Vergleich zwischen Fiberglas und Kunststoff

Kunststoff ist ein aus hochmolekularen Polymeren hergestellter Werkstoff, der sich durch gute Zähigkeit und relativ geringe Steifigkeit auszeichnet. Die Molekülkettenstruktur des Kunststoffs bestimmt seine Duktilität und Schlagfestigkeit. Typischerweise weist Kunststoff gute Zug- und Biegeeigenschaften sowie eine geringe Bruchneigung auf. Unter Belastung verformen sich die Molekülketten des Kunststoffs deutlich, wodurch er äußere Kräfte absorbieren und Sprödbrüche vermeiden kann.

 

Im Vergleich zu Glasfaser weist Kunststoff im Allgemeinen eine höhere Schlagzähigkeit auf. Obwohl Glasfaser viele Kunststoffe in der Zugfestigkeit übertreffen kann, verschieben sich die Molekülketten von Kunststoff unter äußerer Belastung oder Biegung, wodurch das Material plastisch verformt wird und ein Bruch vermieden wird. Glasfaser hingegen ist aufgrund seiner geringen Duktilität oft nicht in der Lage, Spannungen unter äußerer Belastung effektiv abzubauen, wodurch es anfälliger für Rissausbreitung und schließlich Bruch wird.

 

Glasfaser kann jedoch mit Kunststoff kombiniert werden, um Folgendes zu bilden Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK). Dieser Verbundwerkstoff vereint die hohe Festigkeit von Glasfaser mit der Zähigkeit von Kunststoff, wodurch die Schlagfestigkeit des Materials verbessert und eine insgesamt höhere Leistungsfähigkeit erzielt wird.

 

Glasfaseranwendungen

Herstellung von Verbundwerkstoffen
Glasfaser wird häufig zur Herstellung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) verwendet, einem Verbundwerkstoff aus Glasfaser und Harz. GFK ist nicht nur leichter als Metall, sondern zeichnet sich auch durch hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und ist daher in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Schifffahrt unverzichtbar. Beispielsweise wird GFK in der Automobilindustrie für Karosserieteile und Fahrwerkskomponenten eingesetzt, wodurch das Fahrzeuggewicht effektiv reduziert, der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Leistung verbessert wird. In der Luft- und Raumfahrt wird GFK für die Außen- und Innenstrukturen von Flugzeugen verwendet. Es bietet hohe Festigkeit und Stoßfestigkeit bei gleichzeitig reduziertem Gewicht und gewährleistet so die Sicherheit und Effizienz der Flugzeuge.

 

Bau und Infrastruktur
Glasfasern finden auch in der Bauindustrie breite Anwendung. Glasfaserverstärkter Beton (GFRC) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) spielen eine wichtige Rolle im Hochbau. GFRC wird häufig für dekorative Wandpaneele und Landschaftselemente (wie Skulpturen und Brunnen) verwendet und bietet Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Druckfestigkeit und Langlebigkeit, wodurch es sich für komplexe architektonische Entwürfe eignet. Im Infrastrukturbau wird GFK zur Herstellung leichter, hochfester Bauteile wie Rohre, Geländer und Kabelträger eingesetzt, was die Baueffizienz deutlich steigert und die langfristige Stabilität der Konstruktion gewährleistet. Darüber hinaus sind GFRC und GFK korrosionsbeständig und können daher auch unter rauen Umgebungsbedingungen, insbesondere in maritimen oder chemisch aggressiven Umgebungen, eingesetzt werden.

 

Luft- und Raumfahrt
Fiberglas spielt eine entscheidende Rolle in der Luft- und Raumfahrtindustrie, insbesondere bei der Herstellung von Leichtbaukonstruktionen und Wärmeschutzsystemen. Glasfaserverstärkte Materialien Glasfaser kann Metall in Flugzeugrümpfen, Tragflächen und anderen Strukturen ersetzen und so das Gewicht des Flugzeugs reduzieren, die Treibstoffeffizienz steigern und die Flugkosten senken. Dank seiner thermischen Stabilität ist Glasfaser ein ideales Material für die Luft- und Raumfahrt, beispielsweise für die Herstellung von Hitzeschutzsystemen wie Raumfahrzeughüllen und anderen hochtemperaturexponierten Bauteilen. Diese Teile widerstehen extremen Temperaturschwankungen und hohen thermischen Belastungen und gewährleisten so die Sicherheit des Raumfahrzeugs. Glasfaser wird auch für die Fertigung von Innenausstattungskomponenten von Flugzeugen, wie beispielsweise Sitzgestellen, verwendet und bietet hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht.

 

Windenergiebranche
Mit steigender Nachfrage nach erneuerbarer Energie wächst auch der Bedarf der Windenergiebranche an Glasfaserverbundwerkstoffen (GFK). GFK wird häufig für die Herstellung von Windkraftanlagenflügeln eingesetzt. Dank seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessert Glasfaserverbundwerkstoff die Leistung und Lebensdauer der Flügel deutlich. Windkraftanlagenflügel müssen typischerweise enormen Windkräften und unterschiedlichen Witterungsbedingungen im Freien standhalten. Die hohe Festigkeit von Glasfaserverbundwerkstoff gewährleistet die Stabilität und strukturelle Sicherheit der Flügel, während seine Korrosionsbeständigkeit einen langjährigen Einsatz in maritimen Umgebungen ermöglicht. Dies reduziert die Wartungskosten und verlängert die Lebensdauer.

 

Elektrizität und Kommunikation
In der Elektrizitäts- und Kommunikationsbranche wird Glasfaser hauptsächlich zur Herstellung von Glasfaserkabeln und Stromleitungen verwendet. Glasfasern dienen der Übertragung von Hochgeschwindigkeits-Internetsignalen und Kommunikationsdaten. Im Vergleich zu herkömmlichen Kupferleitungen bieten Glasfasern höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und größere Reichweiten und sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Dank seiner elektrischen Isolationseigenschaften ist Glasfaser ein ideales Material für Stromleitungen, da es Ströme effektiv isoliert, Kurzschlüsse verhindert und die Stabilität und Sicherheit der Stromversorgung gewährleistet. Darüber hinaus macht die Korrosionsbeständigkeit von Glasfaser es zuverlässiger für den Einsatz in rauen Umgebungen, insbesondere in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit, in maritimen Umgebungen oder bei chemischer Belastung.