So können Sie die Schlagzähigkeit mit Nanowerkstoffen signifikant erhöhen

Oftmals sind Bauteile starken Stößen und Schlägen ausgesetzt – sei es im Maschinenbau oder in der Luftfahrttechnik. Damit es nicht zu einem Materialbruch kommt, muss die Schlagzähigkeit des Werkstoffs stimmen. Was sich genau dahinter verbirgt und wie Sie die Schlagzähigkeit mithilfe von Nanowerkstoffen verbessern können, erfahren Sie hier.

Ein Zeichen für Robustheit

Die Schlagzähigkeit zählt zu den physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffes beziehungsweise eines Bauteils. Sie gibt an, wie gut ein Bauteil Stöße und Schläge absorbieren kann und ab welcher Belastung es bricht oder nachgibt. Umgangssprachlich spricht man davon, wie spröde ein Stoff ist.

Die Ermittlung der Schlagfestigkeit eines Werkstoffs oder eines Bauteils wird mithilfe eines Schlaghammers durchgeführt. Dabei werden drei verschiedene Arten unterschieden:

Izod-Schlagzähigkeit

Bei der Ermittlung der Izod-Schlagzähigkeit wird das Werkstück hochkant einseitig eingespannt und am freien Ende belastet. Die Vorgaben dafür sind in der DIN 53435 festgelegt.

Charpy-Schlagzähigkeit

Um die Charpy-Schlagzähigkeit zu bestimmten, ruht der Prüfkörper an beiden Enden auf festen Stützen. Die Belastung durch den Schlaghammer erfolgt dann in der Mitte des Körpers. Das Verfahren ist in der DIN 53453 definiert.

Kerbschlagzähigkeit

Eine Sonderform ist die Kerbschlagzähigkeit. Sie wird vor allem dann herangezogen, wenn es bei den anderen Prüfungen nicht zu einem Bruch des Materials kam. Zur Ermittlung des Werts wird das eingekerbte Prüfstück so eingespannt, dass es von einem geeichten Schlagpendel getroffen wird. Gemessen wird die entstehende Kerbe oder, falls es zu einem Durchschlag kommt, die Rücklaufhöhe des Pendels. Auf dieser Basis lässt sich die aufbrachte Schlagarbeit berechnen.

Die Einheit der Schlagzähigkeit ist kJ/m² – Schlagarbeit oder Energie, die beim Schlag nötig ist, pro Querschnitt des Probekörpers. Sie gibt an, bei welchem Energieaufwand das Material bricht.

Wann ist eine hohe Schlagzähigkeit entscheidend?

Eine möglichst hohe Schlagzähigkeit ist überall dort gefragt, wo Materialien eine große Menge an Stoß- und Schlagenergie absorbieren müssen, ohne zu brechen oder durchzubiegen. Bei weichen Werkstoffen wie Gummi oder Schaum spielt die Eigenschaft keine besondere Rolle. Harte Kunststoffe wie Duroplaste oder Thermoplaste und Metalle werden jedoch durchaus auch hinsichtlich ihrer Schlagfestigkeit beurteilt, bevor sie zum Einsatz kommen. Typische Anwendungsbereiche, in denen Materialien viel aushalten müssen, sind zum Beispiel:

• Werkzeuge
• Stanzunterlagen
• Stoß- und Rammschutzleisten
• Lager- und Gleitelemente
• Rohrleitungsbau

Dabei ist nicht nur der Betrieb beziehungsweise die Nutzung der fertigen Bauteile zu berücksichtigen. Auch bei Transport und Installation beispielsweise von Rohren kann es schnell zu Schlagbeanspruchungen kommen, denen das Material standhalten muss.

Welche Materialien kommen dabei infrage?

Um Gewicht und damit auch Kosten zu sparen, wird in vielen Bereichen nach Alternativen zu den vergleichsweise schweren Metallen wie Stahl oder Eisen gesucht. Hier kommen Kunststoffe ins Spiel, die zum Teil eine ähnliche hohe Schlagfestigkeit aufweisen.

Zu den thermoplastischen Kunststoffen mit hoher Schlagzähigkeit zählen unter anderem:

• Polyamide (PA)
• Polyoxymethylen (POM, besonders bei niedrigen Temperaturen)
• Polybutylenterephthalat (PBT)

Wie kann die Schlagzähigkeit eines Werkstoffs erhöht werden?

Generell gilt: Je kälter die Umgebungstemperatur, desto spröder werden die meisten Materialien und desto geringer fällt die Schlagzähigkeit aus. In der konkreten Anwendung ist es jedoch nur selten möglich, die Temperatur zu regulieren. Stattdessen gibt es die Möglichkeit, die Schlagfestigkeit von beispielsweise Kunststoffen durch Eingriffe ins Material zu verbessern.

Der moderne Weg: Höhere Schlagzähigkeit durch Nanowerkstoffe

Gesundheitlich unbedenklich und besonders variabel in der Anwendung ist der Einsatz von Nanowerkstoffen, die die Schlagzähigkeit von Materialien wie Kunststoffen erhöhen können. Anwendungsbeispiele finden sich dabei nicht nur in der Großindustrie, sondern sogar in Alltagsgegenständen:

• Typische transparente Kunststoffbecher (z.B. für kalte Getränke) aus Polystyrol sind für gewöhnlich relativ spröde und wenig schlagzäh. Um eine schlagzähere Variante zu schaffen, kann man dem spröden Kunststoff Kautschuk beimischen. Dadurch werden transparente Becher weiß, da an den Kautschuktröpfchen Licht gestreut wird. Allerdings sind sie dann auch sehr viel schlagfester und sogar für heiße Getränke wie Kaffee geeignet. Um Transparenz und Schlagzähigkeit in einem zu erreichen, ist es notwendig, das Kunststoffmaterial mit Kautschuk so zu modifizieren, dass die Größenordnung der Makromoleküle kleiner als die Lichtwellenlänge ist. Damit werden die Kautschuktropfen dank Nanotechnologie praktisch „unsichtbar“ und trüben das Material nicht mehr, verschließen Risse und sorgen für eine höhere Schlagfestigkeit.
• Statt verschiedene Polymere miteinander zu mischen, um die Schlagzähigkeit zu erhöhen, steht auch eine Vielzahl an anorganischen und organischen Füllstoffen zur Verfügung. Sogenannte Nanocomposites setzen sich aus einer Polymermatrix und einem Füllstoff mit Nanopartikeln zusammen. Als Füllstoffe kommen unter anderem Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) oder auch verschiedene Metallnanopartikel zum Einsatz. Letztere erwiesen sich als besonders effektiv zur mechanischen Verstärkung (z.B. Nanowolframcarbid, Nanowolframoxid) und zur Erhöhung der Schlagzähigkeit. Darüber hinaus bringen die auf Nanowolfram basierten Nanocomposites noch andere Vorteile, wie erhöhten UV-Schutz, erhöhte Abriebfestigkeit und verbesserte chemische Reistenz.
• Nicht nur für komplette Bauteile bietet sich der Einsatz von Nanoteilchen an, um die Materialeigenschaften zu verändern. Auch bei Beschichtungen kann die Schlagzähigkeit mit den passenden Nanostrukturen erhöht werden. Nanopartikel wie Silizium- oder Aluminiumoxid, aber auch die zuvor erwähnten Wolframcarbide führen zu verbesserter Festigkeit. Diese werden als Additive so beispielsweise in Holzschutzlacken und Fassadenfarben verwendet.
• Polymethylmethacrylat (PMMA), unter anderem bekannt als Plexiglas, das zum Beispiel für Handydisplays oder Gewächshäuser verwendet wird, lässt sich ebenfalls mit einer höheren Schlagzähigkeit verbessern. Dafür werden entsprechende Schlagzäh-Modifier hinzugefügt. Die Modifier bestehen aus PMMA-Kernen, die mit einem Elastomer ummantelt sind. Diese Nanoteilchen werden in die PMMA-Matrix compoundiert und steigern die Schlagzähigkeit je nach Anteil des Elastomers.

Schlagzähigkeit: Qualitätsmerkmal und Herausforderung

Die Schlagzähigkeit von Materialien wie Metallen oder Kunststoffen ist eine nicht zu unterschätzende Eigenschaft. Gerade da sie aufgrund vieler Faktoren wie Temperatur, Materialstärke, Form und Größe des Bauteils und Stoßgeschwindigkeit stark variieren kann, sind genaue Kenntnisse und Berechnungen umso wichtiger. Nur so lässt sich die gewünschte Qualität und Sicherheit beim Endprodukt garantieren.

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