Darunter versteht man Mischmaterialien, die aus oftmals stofflich völlig unterschiedlichen Substanzen zusammengesetzt sind und die erst durch ihre Kombination extreme mechanische oder thermische Eigenschaften bekommen. Dabei gilt das Prinzip des Synergismus: Verbundstoffe vereinigen nicht nur additiv gute Eigenschaften der einzelnen Stoffe, sondern verstärken im Verbund diese gegenseitig. So sind Carbonfasern ohne Harzeinbettung nur eine bröselige Angelegenheit, im Verbund dagegen bekommt die selbst Schumi nicht klein, wenn er mit seinem Rennwagen gegen die Mauern kracht.

Verbundstoffe spielen in der Technik eine wichtige Rolle
Im Wesentlichen gibt es diese Zubereitungen:
- Mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe (technische Abkürzung: CFK)
- Mit Glasfasern verstärkte Kunststoffe (technische Abkürzung: GFK)

Mit Netzgewebe aus Carbonfasern verstärkt man zum Beispiel Straßenbeläge. Vor allem Lkw belasten schon aufgrund ihres Gewichts den Belag. Ganz besonders im Bereich von Ampelkreuzungen oder in Kurven ist die Belastung besonders groß. Allerdings erfordert solch eine Maßnahme etwas, was im öffentlichen Dienst selten ist: Die Absprache unter Behörden. Denn was nützt das kräftige Netz, wenn es bald wieder aufgerissen wird, um z. B. ein Kabel zu verlegen...

Es kommt nicht nur darauf an, dass Stoffe gemischt werden, sondern auch darauf, wie das geschieht. Faserstrukturen werden bei der technischen Konstruktion von Werkstücken aus Verbundstoffen so angeordnet, dass die Wirkung der Kraftwirkung am besten abgefedert wird. Ein Beispiel sind die Hubschrauberflügel.

Bild 1: Startender Rettungshubschrauber
(Foto: Blume)

So verklebt man in Formen quer zueinander verlegte Glas- oder Kohlefasern mit Epoxidharzen. Solche Werkstoffe setzt man im Fahrzeugbau (Karosserien, Schiffe, Flugzeuge) ein (z. B. bei hochbelasteten Teilen wie beim Segelschiffrumpf oder im Falle des Airbus beim Seitenleitwerk). Im Falle der glasfaserverstärkten Kunststoffe spricht man gern auch von Fiberglas.

Bild 2: Verbundstoff (Glasfaser/Epoxidharz) als Benzintankmaterial
(Foto: Blume)

Es sei daran erinnert, dass auch der Stahlbeton ein Verbundwerkstoff ist. Im Allgemeinen sind im Beton sog. Moniereisen eingelassen. Zement haftet auf Eisen wegen der Fixierung der Silicate über Rost und andere Hydroxide. Bemerkenswert ist, dass Eisen und Beton gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

Vorbild Natur
Die Siegerin in der Synthese von hochqualitativen Verbundstoffen ist und bleibt aber bislang die Natur: Diese Erfindung ist für die Natur nicht neu. Die Natur hat dabei vor allem eines gelernt: Den Umgang mit den Verbundstoffen hinsichtlich von exakten Anpassungen an die gegebenen Anforderungen.

Beispiele für biologische Verbundwerkstoffe sind Knochenmasse sowie Holz.

Knochenmasse ist ein Verbundstoff aus anorganischem Material (Lamellen aus Kalk, Phosphat) und aus Proteinfasern (Kollagen). Holz besteht aus faserigen Cellulosesträngen (Fibrillen), die von Hemicellulosepolymeren umgeben sind. Diese Stränge sind in voluminösem Polymer Lignin eingebettet. Die Kohlenhydratpolymere und Lignin werden vor allem durch kovalente Ether- sowie Esterbindungen und durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. Man nennt das Ganze Lignocellulose und spricht von Heteropolymeren.

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der natürlichen Verbundstoffe erinnern an Stahlbeton. Sie resultieren besonders daher, dass sich die Fasern aus Kollagen-Protein bzw. Cellulose während des Wachstums entsprechend der Beanspruchung ausrichten. So bilden Knochen ein entsprechendes Muster an Kraftlinien - zum Beispiel im Bereich des Oberschenkelhalses.

Bild 3: Oberschenkelhalsknochen

Holz ist vor allem im belasteten Wurzelbereich besonders zäh. Das liegt daran, dass die Natur die Faserstrukturen so anordnet, dass die Wirkung der Kraftwirkung regelrecht abgefedert wird. Das zeigt sehr schön die folgende Abbildung.

Kein Wunder, dass die Steinzeitmenschen die Stiele für ihre Steinbeile gerade aus diesem besonders zähen Material hergestellt haben.

Die Fäden der Spinnen sind ein Verbundstoff aus verschiedenen Proteinen. Sie sind stabiler und vor allem elastischer als Stahlseile! Im Netz der vietnamesischen Bodenspinne können sich sogar kleine Mäuse verfangen.

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Bild 5: Kreuzspinne und ein Spinnennetz
(Fotos: Blume)

Und wie stark ist ein Getreidehalm im Vergleich zu einem Fernsehturm!

Bild 6: Feld mit Weizen		Bild 7: Berliner Fernsehturm
(Fotos: Blume)

Die Festigkeit einer Muschelschale aus Proteinen, Kohlenhydraten und Calciumcarbonatlamellen ist unübertroffen. Eine Muschelschale ähnelt im Aufbau Zahnschmelz.

Das Studium der biologischen Werkstoffe ist deshalb eine unerschöpfliche Quelle von Ingenieurwissen. Man hat dafür schon einen Begriff: Biomimetik.

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