Faservolumenanteil

Der Faservolumenanteil oder der Faservolumengehalt ist das Verhältnis des Volumens der Fasern zum Gesamtvolumen eines faserverstärkten Materials. Er wird mit ${\displaystyle \varphi }$ abgekürzt. Der Faservolumenanteil berechnet sich analog dem Volumenanteil einer zweiphasigen Mischung. Er ist eine wichtige Kenngröße bei Faser-Kunststoff-Verbunden wie z. B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK).

Der Faservolumenanteil ergibt sich nach der Formel des allgemeinen Volumenanteils

${\displaystyle \varphi ={\frac {V_{\text{Faser}}}{V_{\text{Verbund}}}}={\frac {V_{\text{Faser}}}{V_{\text{Faser}}+V_{\text{Matrix}}(+V_{\text{Leerstellen}})}}.}$

Je nach zugrundeliegendem Packungsmodell gibt es eine physikalische Grenze, über die der Faservolumenanteil nicht gesteigert werden kann. Es gelten die folgenden Grenzen:

• quadratische Packung: ${\displaystyle \varphi _{\max }={\frac {\pi }{4}}\approx 0{,}79}$
• hexagonale Packung: ${\displaystyle \varphi _{\max }={\frac {\pi }{\sqrt {12}}}\approx 0{,}91}$

Da das Packungsmodell bei der Fertigung kaum beeinflusst werden kann, stellt sich eine Mischung aus beiden Packungsmodellen ein. Tendenziell liegt eher eine quadratische statt einer hexagonalen Packung vor.

Der Faservolumenanteil kann an Bauteilen durch verschiedene Verfahren nachträglich bestimmt werden. Dies ist insbesondere im Laufe der Qualitätssicherung von Verbundbauteilen wichtig.

Bei diesem Verfahren wird eine Materialprobe hohen Temperaturen ausgesetzt. Dadurch verbrennt die Matrix, die Verstärkungsfasern bleiben jedoch erhalten. Durch Wägen der Fasern kann, bei bekannten Dichten, der Faservolumenanteil berechnet werden. Dieses Verfahren eignet sich nur für Verbunde, in denen die Matrix thermisch zersetzt werden kann und die thermischen Zersetzungspunkte von Faser und Matrix weit auseinanderliegen.

Durch chemische Extraktion, z. B. mit Hilfe einer Säure, wird entweder die Matrix oder die Faser aus der Probe gelöst. Nach anschließendem Trocknen und Verwiegen kann, bei bekannten Dichten, der Faservolumenanteil berechnet werden. Für viele, mit organischen Fasern verstärkte Kunststoffe, ist dies oft die einzige Möglichkeit, den Faservolumenanteil experimentell zu bestimmen.

Aus einem Probevolumen wird ein Schliff mit bekannter Querschnittsfläche erstellt. Dieser Schliff wird anschließend mit Hilfe eines Mikroskops untersucht. Dabei werden mit geeigneten Verfahren die Flächen aller Fasern aufsummiert. Man erhält so direkt den Faservolumenanteil.

Der Fasermassenanteil ist eine dem Faservolumenanteil verwandte Größe und darf nicht mit ihm verwechselt werden. Er wird z. B. benötigt, um den Mischpreis eines Faserverbunds zu bestimmen. Nach VDA 260 ist der Fasermassenanteil in Gewichtsprozent definiert. Analog dazu wird der Faservolumenanteil in Volumenprozent angegeben, wobei meist bis zu 3 % Luft enthalten sind.