Was ist isotrop, quasi-isotrop und anisotrop?

Die Rahmenstruktur der Drohne aus Kohlefaserverbundwerkstoff ist aufgrund eines falschen Schichtaufbaus verzerrt.

Aufgrund der Bedeutung der Isotropie und der Vernachlässigung der tatsächlichen Spannungsverteilung kommt es zu Rissen in der Betonbrücke.

An dieser Stelle sollten wir wissen, dass die Anisotropie, Isotropie und Quasi-Isotropie von Materialien in vielen Branchen eine entscheidende Rolle spielen.

Dieser Leitfaden hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen Materials für Ihre Lösungen. Er enthält Definitionen, Leistungsvergleiche, Informationen zur Herstellung von Kohlefaserverbundplatten mit drei verschiedenen Eigenschaften und Informationen zu ihren industriellen Anwendungen.

1. Definition

Isotrop: bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften der Materialien in alle Richtungen gleichbleibend sind.

Dies bedeutet, dass es unabhängig von der Messrichtung die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Materialien wie amorphes Glas und Metalllegierungen weisen in alle Richtungen die gleichen mechanischen und thermischen Eigenschaften auf.

Quasi-isotrop: bedeutet, dass die Festigkeits- und Elastizitätseigenschaften eines Materials in allen Richtungen einer Ebene sehr ähnlich sind und tendenziell isotrop sind. Einfach ausgedrückt weisen Materialien und Komponenten in allen Richtungen der Ebene die gleichen mechanischen Eigenschaften auf. In der senkrecht zum Material verlaufenden Richtung unterscheiden sie sich jedoch.

Anisotrop: bedeutet, dass sich das Material in alle Richtungen unterschiedlich verhält. Beispielsweise unterscheiden sich aufgrund der speziellen Molekularstruktur von Kohlefasermaterialien Festigkeit, Steifigkeit, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie weitere Eigenschaften in horizontaler und vertikaler Richtung.

2. Dimensionsvergleich

3. Wie verwendet man isotrope, quasi-isotrope und anisotrope Verfahren zur Herstellung von CFK-Platten?

Unabhängig davon, für welche Anwendung Sie Kohlefaserverbundwerkstoffe benötigen, müssen Sie die Anordnung der Kohlefasern berücksichtigen. Sie bestimmt die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe in verschiedenen Richtungen.

• Beispielsweise ist eine einzelne Schicht Kohlenstofffaser anisotrop. CFK-Laminate weisen im Herstellungsprozess, wenn sie in eine Richtung angeordnet werden – alle sind 0°, ±45° oder 90° – ebenfalls Anisotropie auf.
• Wenn Sie jedoch eine in alle Richtungen gleichbleibende Leistung des Laminats wünschen – das Laminat ist isotrop oder quasi-isotrop – muss die Anordnung der Fasern während des Laminierungsprozesses neu gestaltet werden.

Beispielsweise werden die Faserlagen in Winkeln von 0°, 90° und ±45° angeordnet. Dadurch wird die Lagenrichtung der Fasern ausgeglichen. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten CFK-Laminate bleiben unverändert, unabhängig davon, in welche Richtung äußere Kräfte auf sie einwirken.

Diese kreuzweise angeordneten Faserlagen sorgen in alle Richtungen für gleiche Eigenschaften, wobei Faserlagen mit unterschiedlicher Lagenrichtung zusätzlich spezifische mechanische Eigenschaften bieten.

• 0º Schicht: In Faserrichtung sorgt es für Festigkeit und Steifigkeit, um axialen Lasten standzuhalten, beispielsweise bei Balken und Säulen.
• +/-45º Schicht: bietet Scher- und Torsionsfestigkeit sowie Steifigkeit, um Torsions- und Scherkräften standzuhalten (z. B. I-Trägersteg).
• 90º-Schicht: Bietet Festigkeit und Steifheit in Richtung der vertikalen Fasern, mit seitlicher Wirkung und Zähigkeit.

Notiz: Neben der Ausrichtung der Faser müssen bei der Herstellung von isotropen, quasi-isotropen Verbundfaserplatten mehr als 4 Schichten verlegt werden, wobei jede Faserschicht die gleiche Dicke und Eigenschaften aufweisen muss 

4. Industrielle Anwendungen von Isotropie, Quasi-Isotropie und Anisotropie für Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe

Die Ausrichtung und Anordnung der Fasern in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen spielt eine entscheidende Rolle für deren Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften. Ihre Ausrichtung und Anordnung bestimmen, ob der Verbundwerkstoff Anisotropie, Isotropie und Quasi-Isotropie aufweist. Erfahren Sie mehr über die Anwendung dieser drei verschiedenen Eigenschaften von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen.

• Luft- und Raumfahrt: Die Flügel von Drohnen und Flugzeugen machen sich die Anisotropie von Verbundwerkstoffen zunutze, die für eine hohe Festigkeit in Faserrichtung sorgen kann. 

Beispielsweise bietet die Anisotropie des hochfesten Verbundwerkstoffs T1100 eine Festigkeit von über 5.000 MPa in axialer Richtung. Bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung erhöht 50% die Dauerfestigkeit. Dies kann den Kraftstoffverbrauch senken und die Lebensdauer verlängern.

• Automobilbau: Das Fahrgestell und das Batteriegehäuse des Autos nutzen die Quasi-Anisotropie von Verbundwerkstoffen, um stabile mechanische Eigenschaften in verschiedene Richtungen bereitzustellen.

Die in der Karosserie verwendete CFK-Verbundwabenplatte verbessert die Biegesteifigkeit. Sie bietet mehrseitigen Aufprallschutz und erhöht die Fähigkeit, Kollisionsenergie um +40% zu absorbieren.

• Outdoor-Sportgeräte: Die Verbundwerkstoffe Angelruten und Golfschläger nutzen anisotrope Eigenschaften. Ihre axiale Festigkeit und Elastizität können um 35% erhöht werden, wodurch sie das Ziel präzise erreichen und Ihre Kundenzufriedenheit verbessern.

Durch die Quasi-Anisotropie wird die Torsionssteifigkeit des Fahrradrahmens und des Paddels erheblich verbessert und auch die Kraft in mehrere Richtungen bleibt stabil.

• Medizinischer Bereich: Durch isotrope Verbundkunstgelenke kann eine gleichmäßige Verschleißfestigkeit in alle Richtungen erreicht werden, wodurch die Lebensdauer auf über 20 Jahre verlängert wird.

5. Fazit

Ein tiefes Verständnis und Wissen über Isotropie, Quasi-Isotropie und Anisotropie wird Ihnen dabei helfen, Materialien auszuwählen und zu entwerfen, die Ihren Anwendungsanforderungen entsprechen, wodurch Ihre Produktkosten deutlich gesenkt und die Produktleistung verbessert werden.

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