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Faserverbundbauweise
Die ersten bekannten Anwendungen der Faserverbundbauweise sind ungefähr im ersten Jahrtausend vor Christus bei den Ägyptern zu finden. Sie benutzten in mehreren Schichten verklebtes Pergament zur Herstellung von Mumiensärgen. Eine unscheinbare Faserverbundbauweise verbirgt sich ebenfalls im Inneren alter Wände, welche mit Lehme aufgebaut sind. Zur Verstärkung wurde in diese Stroh als Fasermaterial eingebracht. Auch bei Tongefäßen und Ziegelsteinen kam diese Technik zur Anwendung. Bis heute kommt diese Verstärkungsart beim Stahlbeton zum Einsatz. Sehr gebräuchlich ist die Verbundbauweise heutzutage in Span- und Sperrholzplatten und bei der Herstellung von Reifen mit Stahleinlagen.
Die moderne Faserverbundtechnologie entwickelte sich parallel mit der Luft- und Raumfahrt und dem Bedürfnis nach gradueller Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Festigkeitssteigerung. Am Anfang kamen im Flugzeugbau zum Ersatz von Metall ausschließlich glasfaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Diese besitzen allerdings nur eine vergleichsweise geringe spezifische Steifigkeit und können daher für hochbelastete Strukturen nicht eingesetzt werden. Durch ihren niedrigen Preis spielen sie allerdings nachwievor im Bootsbau eine entscheidende Rolle. Weitere inzwischen weit verbreitete Fasermaterialien sind Kohlenstofffasern und Aramidfasern.
Die Zusammenhänge der Faserverbundbauweise sind leicht darzustellen. Durch die Verbindung eines Matrixwerkstoffes mit einem Faserwerkstoff entsteht ein Verbundmaterial. Das Fasermaterial trägt in dieser Verbindung entscheidend zur Verbesserung des Verhältnisses aus Festigkeit und Gewicht bei. Griffith formuliert in den zwanziger Jahren dazu folgenden wichtigen Zusammenhang: "Ein Werkstoff in Faserform hat in Faserrichtung eine vielfach größere Festigkeit als dasselbe Material in anderer Form. Je dünner die Faser ist, desto größer ist ihre Festigkeit." Die Ursache hierfür liegt in einer zunehmenden Gleichrichtung der Molekülketten mit abnehmender zur Verfügung stehender Fläche. Da somit bei gleicher Festigkeit die schwere, feste Komponente eingespart und durch eine leichtere ersetzt werden kann, entsteht ein Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis aus Festigkeit und Gewicht). In einem Verbundwerkstoff sind sehr viele Fasern in hoher Dichte untergebracht. Ihre Fixierung untereinander erfolgt durch das Matrixmaterial, welches die aufgenommen Kräfte von Faser zu Faser überträgt. Die Verbindungsfläche von Faser und Matrix wird als Interface bezeichnet. Die Beschaffenheit des Interface hat zusätzlich zum Faser- und Matrixwerkstoff einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes.
In Abhängigkeit vom Matrixmaterial (Duroplaste, Thermoplaste), der Bauteilform und den angestrebten mechanischen Eigenschaften existieren verschiedene Herstellungsverfahren. Beispielhaft sind hier das Nasslaminieren, die Prepreg-Verfahren und Harzinjektionsverfahren für die Verwendung duroplastischen Matrixmaterials zu nennen. Kommen thermoplastische Werkstoffe zur Realisierung der Matrix zum Einsatz, kann die Herstellung des Verbundes mittels Spritzgieß- oder Pressverfahren erfolgen.
Die zugfesten Fasern, die aber aufgrund ihrer Schlankheit sehr biegsam sind, werden durch das Verkleben beim Laminieren am Gleiten aufeinander gehindert. So entsteht aus vielen Lagen von Fasern eine biegesteife und knicksichere Struktur. Die Form des daraus hergestellten Bauteils muss soweit wie möglich geschlossen sein. Es entsteht ein Außenskelett ähnlich dem Chitinpanzer eines Insekts. Nach diesem Prinzip werden auch die Monocoques der Formel-1-Wagen hergestellt.
