Sexl Physik 8, Schulbuch

| 68 So haben sich z. B. im Tierreich sechseckige Formen als besonders stabil und wi- derstandsfähig erwiesen. Man findet sie z. B. in Bienenwaben oder Panzern von Schildkröten und Insekten. Nach diesem Vorbild werden stabile, leichte Verpa- ckungen (Wölbstrukturen) entwickelt. Sechseckige Strukturen schaffen dabei eine hohe Formsteifigkeit. Anwendungsgebiete sind Flugzeugtragflächen und leichte Karosserieteile für Autos. Ein Beispiel für die gezielte Strukturierung von durchlässigen Materialien ist Po- lytetrafluorethylen : Die Entwicklungsgeschichte von Polytetrafluorethylen (PTFE, später auch Teflon genannt) ist ein typisches Beispiel für die zufällige Entdeckung eines Anwendungsgebiets für einen chemischen Stoff. Dieser zur Oberflächenbe- schichtung verwendete Kunststoff zeichnet sich durch besondere Eigenschaften aus: Sehr reaktionsträge, nicht brennbar, geringer Reibungskoeffizient und extrem niedrige Oberflächenspannung. Teflon wird für Pfannen in der Küche, zur Herstel- lung extrem widerstandsfähiger Dichtungen, für Implantate und als witterungs- und UV-beständige Membran im Architekturbereich verwendet. Als atmungsak- tiver Regenschutz für Oberbekleidung und Schuhe („Gore-Tex“) wird eine speziell verarbeitete Form von PTFE eingesetzt. Dieses expandierte PTFE hat viele winzige Poren – ca. 1,5 Milliarden pro cm 2 – welche im Durchmesser rund 20 000-m al klei- ner als Wassertropfen sind. Wasser in Tropfenform kann daher nicht in das Gewe- be eindringen, Wasserdampf kann hingegen nach außen diffundieren (die Poren sind ca. 700-mal größer als ein Wassermolekül). Untersuche, überlege, forsche: Ein Material sucht Anwendungen 68.1 Recherchiere die Entwicklungsgeschichte des Kunststoffes PTFE (Teflon) und finde heraus, welche Rolle die Oberflächenspannung bei der Funktionsweise von Teflon spielt. Verbundstoffe Verbundstoffe sind Verbindungen zweier oder mehrerer Komponenten, die im fer- tigen Werkstoff noch als Einzelsubstanzen vorhanden sind und unterschieden wer- den können, obwohl man oft ein Mikroskop benötigt, um die Struktur zu erkennen. Man nennt sie auch Kompositstoffe . Im Idealfall entstehen durch ihre Verbindung Eigenschaften, welche die Ausgangsmaterialien alleine nicht haben. Sie sind u. a. härter, elastischer, temperaturbeständiger. Im Folgenden werden exemplarisch ei- nige natürliche und technische Verbundstoffe und ihr Einsatzbereich vorgestellt. Holz ist ein Verbundstoff aus spiralförmigen Zellulosefibrillen, Hemizellulose und Lignin ( 67.5 ). Prinzipiell zwar biegsam, kann es jedoch bei großer Krafteinwir- kung splittern. Ganz anders verhalten sich manche Faserverbundstoffe aus dem Labor. Sie reagieren „gutmütig“, d. h. sie sind nicht spröde und liefern bei Bruch keine scharfen Kanten, an denen sich zum Beispiel Personen bei einem Autounfall verletzen könnten. Faserverbundstoffe werden so hergestellt, dass ein ursprünglich relativ sprödes Material (Glasfasern, Stahl, …) in eine weichere Umgebung (eine so genannte Matrix ) eingebettet wird. Durch die Einlagerung verbessert sich im All- gemeinen die Festigkeit, aber auch die Lebensdauer eines Verbundes. Die Fasern nehmen einen großen Teil der auf das Material einwirkenden mechanischen Span- nungen auf und entlasten so die Matrix. Ein weiterer Verbundstoff ist Stahlbeton . Stäbe aus Stahl werden dabei in Beton ein- gelagert und geben dadurch dem Baustoff eine große Zugfestigkeit ( 68.4 ). Ein wesentlicher Faktor für die Festigkeit eines Materials ist der Anteil der Fasern im Werkstoff sowie ihre Ausrichtung (meist dreidimensional). Der thermische Aus- dehnungskoeffizient der beiden Materialien muss weitgehend übereinstimmen, da andernfalls mechanische Spannungen auftreten, welche die Haftung von Faser und Matrix beeinträchtigen. Faserverbund wird in zahlreichen Industriebereichen eingesetzt, etwa im Karos- seriebau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und in der Motorentechnik, aber auch für Sportgeräte wie z. B. Fahrradrahmen, Schi oder Tennisschläger. Hier kom- men vor allem kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix) zum Einsatz, da mit ihnen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit des Materials bei gleichzeitig geringem Gewicht erreicht werden kann. 68.1 Das Skelett eines Tiefseeschwamms zeigt, wie die Natur außergewöhnliche Materialien aus einfachsten Rohstoffen herstellen kann. Der in Meerestiefen bis 5 000 m lebende Schwamm aus Bio-Glasfasern ist praktisch un- zerbrechlich, da die Fasern über viele Größen- ordnungen miteinander verknüpft sind. Bündel aus einer Vielzahl von Fasern unterschiedlicher Dicke sind mit Glaszement zu starken Kon- struktionsstäben verbunden (vgl. 68.2 ). 68.2 Detailaufnahme der Glasfaserkonstrukti- on bei Glasschwämmen 68.3 links: Schachtelhalm, ein Patent aus der Natur mit vielfältigen Eigenschaften rechts: Dem Querschnitt eines Schachtelhalms nachempfundener Verbundstoff: Eine hoch komplexe Anordnung von Grundsubstanz und künstlichen Fasern. Was die Pflanze durch eine geschickte Verteilung von Grundgewebe und festigenden Fasern erreicht (Festigkeit von schlanken Strukturen), bewerkstelligen Verfahrenstechniker/innen mit einem Geflecht von Pflanzen- oder Glasfasern, das sie mit geschäumten Kunststoffen umhüllen. 68.4 Fundament aus Stahlbeton Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv