Ein Verbundmaterial ist eine Anordnung von mindestens zwei nicht mischbaren Bauteilen (die jedoch eine hohe Durchdringungskapazität aufweisen), deren Eigenschaften sich gegenseitig ergänzen. Das so gebildete, heterogene Material hat Eigenschaften, die die Komponenten allein nicht haben.
Dieses Phänomen, das es ermöglicht, die Qualität des Materials angesichts einer bestimmten Verwendung (Leichtigkeit, Steifigkeit bei Anstrengung usw. ) zu verbessern, erklärt die zunehmende Verwendung von Verbundwerkstoffen in verschiedenen Industriebereichen. Trotzdem bleibt die detaillierte Beschreibung von Verbundwerkstoffen aus mechanischer Sicht aufgrund der Inhomogenität des Materials komplex.
Ein Verbundmaterial setzt sich wie folgt zusammen: Matrix + Verstärkung + optional: Füllstoff und / oder Additiv . Beispiele: Stahlbeton = Verbundbeton + Anker in Stahl , Verbundwerkstoff oder Glasfaser + Harz Polyester .
Die Verstärkung ist der Rahmen, der die meisten mechanischen Kräfte aufnimmt. Verstärkungen können klassifiziert werden nach:
Die folgende Tabelle fasst die möglichen Anordnungen der verschiedenen Bewehrungsformen in einem Verbundwerkstoff zusammen:
| Verstärkungstyp | Nicht orientierte Verstärkung | Orientierte Verstärkung |
|---|---|---|
| Lange oder durchgehende Fasern | Lange Fasermatte | Parallel zueinander: unidirektionale Verstärkung,
Nach einem vordefinierten Winkel ( 45 e zum Beispiel zueinander): multidirektionale Bewehrung: gewebte Bewehrung, |
| Kurze Fasern | Gehackte Fasermatte, Beispiel: Waferboard | Vorzugsorientierung, Beispiel: orientierte große Spanplatte (OSB) |
| Gebühren | Meist | Vorzugsorientierung möglich |
Die Verstärkung kann allein innerhalb einer Matrix (homogener Verbund) oder mit einer Verstärkung anderer Art (Hybridverbund) verbunden sein.
Die Fasern haben im Allgemeinen eine gute Zugfestigkeit , aber eine geringe Druckfestigkeit .
Unter den am häufigsten verwendeten Fasern können wir erwähnen:
Der Hauptzweck der Matrix besteht darin, mechanische Kräfte auf die Bewehrung zu übertragen. Es gewährleistet auch den Schutz der Bewehrung gegenüber verschiedenen Umgebungsbedingungen. Es ermöglicht auch, dem hergestellten Produkt die gewünschte Form zu geben.
Heutzutage gibt es eine große Anzahl von Verbundwerkstoffen, die je nach Art der Matrix im Allgemeinen in drei Familien eingeteilt werden:
Bei CMOs (Composites mit organischer Matrix) werden hauptsächlich folgende Matrizen verwendet:
Bei CMCs (Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen) kann die Matrix aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid bestehen . Diese Matrizen werden entweder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) durch Verdichtung eines Faservorformlings oder durch Verkokungsharze wie Phenolharze (im Fall von Kohlenstoffmatrizen) abgeschieden .
Bei KMGs (Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix) besteht das Verbundwerkstoff aus:
Von Ladungen (mineralisch, organisch oder metallisch) und Additiven werden fast immer in die Matrix eingearbeitet.
Die Formgebung von Verbundwerkstoffen kann durch manuelle oder mechanisierte Prozesse erfolgen. Insgesamt werden die für mechanisierte Prozesse erforderlichen Werkzeuge durch die Produktion in mittleren und großen Serien abgeschrieben. Aus diesem Grund sind manuelle Prozesse aus wirtschaftlicher Sicht besser für Kleinserien geeignet.
Unter den manuellen Prozessen können wir unterscheiden:
Mechanisierte Prozesse sind:
Einige Beispiele für Verbundwerkstoffe:
Der Inhalt dieses Abschnitts stammt hauptsächlich aus der Arbeit "Lob der Mischung: Neue Materialien und alte Philosophie " von Bernadette Bensaude-Vincent . Dieses Werk eines Philosophen und Wissenschaftshistorikers zeichnet die Geschichte der Verbundwerkstoffe von der Infragestellung der Grundgedanken der Antike bis 1998, dem Jahr ihrer Veröffentlichung, nach.
Das Wort "Material" kommt vom lateinischen "Mater", was Mutter bedeutet und Kraft erzeugt. Im Griechischen wird dieses Wort mit "hulé" und "silber" assoziiert, wobei die Begriffe die verschiedenen Holzarten und den Wald, die Keimkraft, bezeichnen.
Ursprünglich hat dieses Wort daher eine wilde Konnotation. Es ist notwendig, sich der Natur zu stellen, um ein Material zu erhalten und die organisierte Welt der Menschen installieren zu können. Die Materialien stellen daher eine große Herausforderung dar.
Das Wort "zusammengesetzt" kommt vom lateinischen "compositus", was Mischung bedeutet. Es bedeutet auch die Kombination mehrerer Künste in derselben Struktur. Bei Materialien geht es daher darum, mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu kombinieren, um eines herzustellen.
Im Vergleich zur Menschheitsgeschichte ist der Name "Verbundmaterial" sehr neu. Und doch ist diese Arten von Materialien scheinen für eine lange Zeit zu existieren, wenn auch in einer anderen Form als die aus dem bekannten XX - ten Jahrhundert .
Eines der ersten vom Menschen verwendeten Verbundwerkstoffe war Holz . In der Tat besteht dieses natürliche Material aus einer Matrix ( Lignin ) und einer Faserverstärkung ( Cellulose ), was es zu einem Verbundstoff macht. Holz hat verschiedene Eigenschaften (Festigkeit, Leichtigkeit, Handhabbarkeit usw.) und dies hat es ermöglicht, das am häufigsten verwendete Material in der Geschichte der Menschheit zu werden.
Im Laufe der Jahrhunderte haben Unternehmen häufig Mischungen verwendet, die mit Verbundwerkstoffen verschmelzen. Es gibt zum Beispiel der Bitumen mit Häcksel in verstärkte Mesopotamien (in 3 th Jahrtausend) für unter anderem wasserdichten Böden und die Rümpfe von Booten zu versiegeln. Es gibt auch römischen Mörtel , eine Mischung aus gelöschtem Kalk, Wasser und Sand mit Verstärkungen in gefalteten Fliesen oder Kieselsteinen. Das Ziel dieser Mischungen ist es, ein Material mit besseren Eigenschaften zu schaffen.
Die Studie und die Schaffung von künstlichen Substanzen beginnen in der XVII - ten Jahrhundert, nach einem langen Streit zwischen den Alchemisten und ihren Gegnern unter Berufung auf Aristoteles jede Vereinigung zu verurteilen , die mit der Natur gut konkurrieren würden.
Aus dem XVIII - ten Jahrhundert ist Europa , beginnend bei dem Dummy zu sehen, die sagen ist, ersetzen Sie einige grundlegende Elemente von anderen durch den Menschen geschaffen. Es gibt hier einen echten politischen Willen und einen sozialen Nutzen, um dies zu erreichen, insbesondere um die Abhängigkeit von bestimmten Rohstoffen zu vermeiden und die wirtschaftliche Rentabilität der Nationen zu erhöhen, obwohl die anfänglichen Kosten sehr hoch sind. Die Nationen wenden sich dann an Unternehmen, um das Feld zu entwickeln, aber letztere teilen nur die Ergebnisse und verhindern die Verbreitung dieses neuen Wissens.
Physiker, Chemiker und andere Wissenschaftler suchen dann nach einem Weg, diese Kunst von Materialien zu vermitteln, die von Unternehmen kostbar aufbewahrt werden. Die Akademie der Wissenschaften wird einen sehr großen Einfluss auf diese Verbreitung haben, insbesondere durch eine Sammlung von Werken mit dem Titel " Descriptions des Arts et Métiers ". Ziel ist die Förderung der Technologie und die Steigerung der Volkswirtschaft. Die Wissenschaft bleibt immer noch hinter den Unternehmen zurück, insbesondere wegen der exorbitanten Forschungskosten. Es wird als vorzuziehen angesehen, auf Hersteller zu setzen, die eine große Anzahl von Tests durchführen können, um Ergebnisse zu erzielen.
Im XIX - ten Jahrhundert die industrielle Revolution drastisch ändert die Art und Weise Unternehmen tätig ist . Um den neuen technischen Anforderungen der Fließbandproduktion gerecht zu werden, werden in den Fabriken systematisch Prüf- und Forschungslabors eingerichtet. Die Forschung ist nach wie vor hauptsächlich empirisch und führt häufig zu Fehlern.
Es ist in Europa ist, am Ende des XIX E Jahrhunderts, dass die Forschung im universitären Umfeld beginnt. Die ersten Untersuchungen zu Metallen, die von Physikern und nicht wie bisher von Metallurgen durchgeführt wurden, werfen Fragen zu mikroskopischen Strukturen und Legierungen auf . Diese Physiker erkennen, dass sie durch die Kombination bestimmter Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften eine bessere Leistung erzielen. Dies ist der Beginn der Materialoptimierung. Mit dem Fortschritt der Technologie und dem Einsatz des Mikroskops scheinen die Möglichkeiten endlos zu sein. Aber auch hier ist der Fortschritt meistens tastend.
Das Ende des 19. Jahrhunderts war geprägt von Wirtschaftskriegen in der Industrie zwischen Frankreich, Großbritannien und Deutschland. Nationen entwickeln Forschungsstrategien und investieren ohne zu zählen, um das interessanteste Produkt zu erhalten. "Die Schaffung von Forschungslabors [...] und hohe Investitionen bedeuten, dass die Wissenschaft in die Industriestrategie integriert wird und zu einer offensiven Waffe wird." Gleichzeitig investieren die Länder in die Erforschung synthetischer Materialien, um Abhängigkeiten zu vermeiden, wie dies bei Gummi der Fall war .
Obwohl sein Ursprung in der Antike zu liegen scheint , wurde Kunststoff 1910 als Ersatz für Elfenbein in Billardkugeln neu erfunden. Erst in den 1930er Jahren begannen Wissenschaftler, Polymere und Fasern auf der Basis von Kunststoff und Verbundwerkstoffen zu untersuchen. Es beginnen umfangreiche Forschungen zu verstärktem Kunststoff , die von Regierungen und privaten Investoren finanziert werden. Trotz der enormen Investitionen bleiben die ersten Produkte aus Polymer oder verstärktem Harz isolierte Exploits, und Anwendungen im täglichen Leben gibt es kaum.
1939 kombinierte die französische Fabrik „Herstellung von Isoliermaterialien und Formgegenständen“ Harz und Glasfaser. Dieses Verbundmaterial wurde zuerst zur Verstärkung von Flugzeugpropellern und Angelruten verwendet und dann im Schiffbau während des Zweiten Weltkriegs und dann in der Luftfahrt in der Nachkriegszeit verwendet. Die USA , Großbritannien und Japan sind mit ihren zahlreichen Finanzierungen die Auslöser für die Entwicklung glasfaserverstärkter Kunststoffe . Ohne das Know-how zum Formen und Verwenden der Harze werden die Herstellungsverfahren zwischen 1946 und 1951 stark verändert. Das Formen des Harzes und die Platzierung der Fasern ähneln der Haute Couture ( Weben) , Drapieren und Flechten ) und die Arbeiter lernen das Know-how eines Handwerkers neu.
Der Kalte Krieg bricht aus. Um den Anforderungen der Weltraumeroberung und des nuklearen Wettrüstens gerecht zu werden , entwickeln die UdSSR und die USA Hochleistungsmaterialien, die Leichtigkeit, verschiedene Stärken und andere beispiellose Eigenschaften kombinieren. Die Rivalität zwischen den beiden Mächten ermöglicht eine starke Steigerung der wissenschaftlichen Erkenntnisse über Verbundwerkstoffe. Zu dieser Zeit wurde in der Bevölkerung das Bild der treibenden Wissenschaft der Geschichte der Verbundwerkstoffe geboren, das heißt, es basiert ausschließlich auf theoretischen Untersuchungen im Labor, was manchmal dazu führt, dass die anfängliche empirische Forschung im Schatten bleibt .
Die ersten Anwendungen von glasfaserverstärktem Kunststoff fanden in den 65er Jahren in der zivilen und militärischen Luftfahrt statt, einige Jahre später im Bau. In Frankreich erkennen Berufsverbände das Auftreten einer neuen Art von Material an. Die weltweite Produktion von verstärktem Kunststoff betrug 1968 666.000 Tonnen (mehr als die Hälfte davon von den Vereinigten Staaten). Die Sektoren, die am meisten verbrauchen, sind Bauwesen, Raumfahrt und Marine. Es gibt dann viel Hoffnung in diesen neuen Materialien mit beispiellosen Eigenschaften, insbesondere im Automobilsektor und im Hinblick auf die zukünftige Massenverteilung.
Die Zukunft von Hochleistungswerkstoffen war in den 1970er Jahren jedoch ungewiss, da sie abgesehen von verstärkten Kunststoffen immer noch zu teuer waren.
Zwischen 1970 und 1980 dehnte sich der Verbundwerkstoffsektor auf Konsumgüter aus. Die Regierungen definieren dann eine Forschungs- und Entwicklungspolitik, die schneller ist als die der großen Weltraumprogramme, und bieten Unternehmen finanzielle Unterstützung. Ziel ist es nun, die Eigenschaften dieser in der Luftfahrt verwendeten Hochleistungswerkstoffe zu verallgemeinern, um kostengünstigere Produkte zu erhalten, die in Massenproduktion hergestellt werden können.
Die Vielfalt der Verbundwerkstoffe ist dann wichtig. Viele Materialmissionen begannen in den USA ab den 1970er Jahren und breiteten sich in den 1980er Jahren nach Europa aus. Es war das goldene Zeitalter der Verbundwerkstoffe. Wir lassen der Fantasie freien Lauf, Forschung und Entwicklung sind nicht auf das Budget beschränkt. Eine „Materialmission“, die alle Verbundwerkstoffe auflisten sollte, wurde 1982 gestartet, aber das Projekt wurde abgebrochen, weil die Menge an Materialien es unpraktisch machte. Die breite Öffentlichkeit sieht die Entstehung neuer Qualitätsmaterialien, die nach Maß geschaffen wurden. "Vor jeder technischen Geste, die jede technische Geste einschränkt, ist das Material selbst zu einem zu formenden Objekt geworden, das heißt, es ist selbst zu einem technischen Objekt geworden, das jetzt gezeichnet, konzipiert, entwickelt und materialisiert wird." . Jetzt hat Materie eine Funktion.
Es ist daher eine Frage von großer Neuheit, da diese Produkte häufig von Regierungen und Herstellern von Verbundwerkstoffen als direkte Folge des großen Weltraums und der nuklearen Abenteuer während des Kalten Krieges präsentiert werden. Der neue Begriff muss jedoch aus zwei Gründen qualifiziert werden. Einerseits sind die Herstellungsprozesse von Verbundwerkstoffen teilweise von älterem Know-how inspiriert. Auf der anderen Seite ist das Konzept der Mischung und Funktionalismus auf der Basis von Verbundmaterialien ist allgegenwärtig in der Natur und daher ist dieses Konzept nicht völlig neu.
Über einen Zeitraum von 30 Jahren (1950-1980) führte die Entwicklung von Verbundwerkstoffen zur Explosion von KMU (30.000 Mitarbeiter in Verbundwerkstoffen, davon 5% in Hochleistungswerkstoffen). Die Identität dieser Materialfachleute ist nicht klar definiert, da dieser Sektor einer globalen Neudefinition unterzogen wurde, die zusätzliche Anstrengungen vor der Produktion und zusätzliches Know-how für die Arbeitnehmer erfordert, was der Produktion in der Kette entgegensteht. Der Job eines jeden Schauspielers ist nicht mehr klar definiert. Viele Wissenschaftler wandern in die Industrie aus, während Arbeiter physikalisches oder chemisches Wissen erwerben.
Ingenieurschulen und Universitäten bieten hochqualifizierte Fachausbildung an (bac +4 oder +5). Da einige der Arbeitnehmer jedoch höchstens eine technische Ausbildung haben, werden sie in Unternehmen am Arbeitsplatz geschult. Aus wirtschaftlichen Gründen enthüllen letztere nur sehr wenig das so erworbene Wissen und Wissen wird langsam weitergegeben. Für diejenigen, die in diesem Bereich tätig sind, gibt es keine vorherige Schulung in Materialien. Es wird durch Physik, Chemie und praktische Erfahrung erworben.
Verbundwerkstoffe ermöglichen es, ein Handwerk wiederzubeleben, das zum Verschwinden verurteilt ist. Die Arbeiter erwerben so eine äußerst präzise Technik, die sich nur schwer in die Kettenproduktion integrieren lässt. Obwohl die automatisierte Massenproduktion für die Förderer des Verbundwerkstoffs ein Ideal bleibt, das für die vollständige Entwicklung dieses Sektors erreicht werden kann, wird das implizite Wissen, das durch Handwerkskunst und Erfahrung erworben wurde, immer noch als Innovationsfaktor anerkannt. Nicht zu vernachlässigen. Insbesondere diese Anhäufung von Gesten, professionellem Bewusstsein und Entdeckungen hat es geschafft, die Arbeit zu vereinfachen und zu optimieren oder sogar das Ausfallrisiko zu verringern. Diese handwerkliche Produktion ist jedoch langsam und teuer, was Verbundunternehmen weniger wettbewerbsfähig gegenüber der Nichtverbundwerkstoffindustrie macht. Um dies zu beheben, wird es den Unternehmen gelingen, die Produktion in zwei Phasen zu unterteilen: eine erste handwerkliche Vorbereitungsphase, in der die Arbeiter ein Halbprodukt herstellen, und eine zweite Phase des kontinuierlichen Formens, in der dieses Halbprodukt leichter automatisiert werden kann.
Der starke Anstieg der Entwicklung von Verbundwerkstoffen Ende der achtziger Jahre (+ 10% / 13% der Produktion) führte Anfang der neunziger Jahre zu einem deutlichen Rückgang (-4,5%).
In der Tat zwang die Rezession Anfang der neunziger Jahre die Regierungen, die diesem Bereich zugewiesenen Budgets zu kürzen. Darüber hinaus stellen sie fest, dass die Leistung im Vergleich zur derzeitigen Nutzung weiterhin teuer ist und dass Großprojekte (einschließlich Weltraumforschung und Nutzung der Kernenergie ) nicht die erwarteten Vorteile hatten. Es gibt wenig direkte Anwendung im Alltag. Diese maßgeschneiderte Technologie scheint noch nicht mit der Massenverteilung kompatibel zu sein, obwohl sie weiterhin in verschiedenen Bereichen eingesetzt wird, insbesondere in Hochleistungssportarten , Automobilen und sogar in der Luftfahrt .
Forschung und Interesse in diesem Bereich nehmen zu, sobald die Krise vorbei ist. Die Anzahl der Verbundwerkstoffe nimmt dann stetig zu. Der Wettbewerb zwischen Materialien, die Vielfalt der Zusammensetzungstypen sowie die ständige Weiterentwicklung der Spezifikationen erfordern einfache und effektive Vergleichsinstrumente. Die Begegnung mit der IT und die Globalisierung strukturierter Datenbanken ermöglichen es, auf diese Nachfrage zu reagieren, insbesondere dank Software zur Auswahl von Materialien oder Herstellungsprozessen, Kostenschätzungsmodulen und Datenbanken zu Maßnahmen. Die Einführung von künstlicher Intelligenz und CAD (Computer Aided Design) in diesem Bereich wird sehr genaue Fallstudien und die Erstellung genetischer Algorithmen ermöglichen, die es ermöglichen, die besten Lösungen oder die besten Kompromisse für jede Situation zu finden. Die Wahl ist daher einfacher und geeigneter, was Material und Geld spart.
Ab den 2000er Jahren interessierten sich Forscher für die Struktur natürlicher Materialien, da die meisten von ihnen multifunktional sind (die Haut dient beispielsweise sowohl als Barriere als auch als Membran). Der Reichtum dieser Materialien liegt in der Vielzahl von Anordnungsmöglichkeiten auf molekularer Ebene.
Der Körper des Wissens über Materialien können dann nicht mehr nur durch den Ansatz „Versuch und Irrtum“ der ausgenutzt werden XX - ten Jahrhunderts. In der Tat wissen die Forscher jetzt, dass die Gesamteigenschaften eines Verbundwerkstoffs von seiner Struktur, den mechanischen Eigenschaften auf molekularer Ebene, den Harz- und Faserparametern, verschiedenen physikalischen und / oder chemischen Phänomenen abhängen, mit denen es während seiner Herstellung und Verwendung konfrontiert wird. sowie andere Materialparameter. Um das Gesamtverhalten eines Materials zu verstehen und Materialien zu entwerfen, die für komplexe Spezifikationen optimiert sind, können die Fachleute auf die Modellierung zurückgreifen . Diese Entdeckungen sowie die neuen Computerwerkzeuge verändern die Denkweise über Materialien: Sie werden daher nicht mehr für eine einzelne spezifische Anwendung berücksichtigt, sondern erfüllen manchmal gegensätzliche Kriterien und erfüllen somit eine Reihe von Eigenschaften.
Auf dem Gebiet der Nanotechnologien ermöglichen Verbundwerkstoffe, Träger der Utopie, alles, da maßgeschneiderte Materialien Atom für Atom hergestellt werden können. Laut Frau Bensaude-Vincent ist "Materie so informiert, dass ein Molekül selbst zur Maschine wird". Es handelt sich nun um eine molekulare Maschine , die selbst mehrere Funktionen erfüllt. In diesem Bereich ist das Multifunktionale zum Vorbild geworden.
Der XX - ten Jahrhundert ist ein Jahrhundert , das sich zu befreien von der Materie sucht. Verbundwerkstoffe wurden von Arbeitern, dann auch von Physikern und Chemikern entworfen, um das Material zu verbessern, es funktional und nicht mehr nur strukturell oder dekorativ zu machen, wie es zuvor der Fall war. Der Materialverbrauch der Hersteller von Verbundwerkstoffen ist rückläufig. In der Tat erfordern Leistung und Eigenschaften weniger Material. Der Eiffelturm ist ein gutes Beispiel: seine Konstruktion erforderlich 7000 Tonnen Stahl , während am Ende des XX - ten Jahrhunderts, 2.000 Tonnen Verbundausgereicht hätten. Dies ist Teil einer globalen Entwicklung, die mit unserem Lebensstil verbunden ist (Intelligenz und Reflexion haben Vorrang vor Quantität). Die gewonnenen Erkenntnisse XXI - ten Jahrhundert in Materialien und Composites ermöglichen , den Prozess der Optimierung weiterhin , dass reagiert auf Forderungen nach mehr und präziseren und oft unvereinbar scheint. Yves Bréchet gibt ein gutes Beispiel für diese gegensätzlichen Einschränkungen, indem er den Fall des elektrischen Kabels zitiert: "[...] es muss offensichtlich Elektrizität leiten, was mehr oder weniger erfordert, dass wir ein Metall herstellen [...]] und wenn ich Hätte ich das einfach nur dumm gemacht, hätte ich kein Kabel, sondern eine Stange hergestellt. Um also ein Kabel herstellen zu können, hätte ich Flexibilität hinzugefügt, Flexibilität, die der starken Verbindung, die wir in den Metallen haben, an sich widerspricht. ""
Laut Frau Bensaude-Vincent besteht eine Lücke zwischen den Möglichkeiten, die diese neuen Materialien eröffnen, und dem Diskurs der Verbundinnovatoren, insbesondere im Bereich der Nanotechnologien und Biotechnologien. Der letztere Grund ist auf sehr klassische Weise, das heißt, sie sagen, sie wollen Materie kontrollieren oder sich sogar davon befreien, während das, was sie tun, eher einer Partnerschaft mit der Natur als einer Herrschaft ähnelt.
Die meisten Verbundwerkstoffe basieren auf duroplastischen Polymeren, was ihre Wiederverwertung erschwert . Diese Einschränkung steht daher einer nachhaltigen Entwicklung entgegen . Wir können auch neue Forschungsergebnisse sehen, die sich auf Biokomposite konzentrieren , insbesondere mit Fasern aus Pflanzen. Biokomposite sind Materialien, die aus einer Matrix (Harz) und einer Verstärkung von Naturfasern bestehen, die normalerweise aus Pflanzen oder Zellulose (Holzfasern, Hanf usw. ) stammen. Darüber hinaus tragen sie zum Respekt vor der Umwelt bei, da sie biologisch abbaubar sind und im Tissue Engineering, in kosmetischen Anwendungen und in der Kieferorthopädie eingesetzt werden. Diese Biokomposite sind noch nicht bereit, für High-Tech-Sektoren vermarktet zu werden. Die französische Industrie ist sehr an dieser Art von Material interessiert.
Ein Verbundwerkstoff ist nur dann vollständig biologisch abbaubar, wenn die verwendete Matrix neben Naturfasern selbst ist ( z. B. PLA, Polymilchsäure ). Wenn ein Harz vom "herkömmlichen" Typ (Polyester, Epoxid usw. ) verwendet wird, ist der Vorteil der Verwendung von Naturfasern als Verstärkung die erneuerbare Natur dieser, aber wir können nicht von einem Verbundwerkstoff sprechen, der biologisch abbaubar ist. Verbundwerkstoffe wirken sich auf die Umwelt aus .
In der Praxis gibt es zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten für Verbundwerkstoffe. Unter diesen gibt es mehrere Bereiche, in denen die Anwendungen vielfältig sind. Zum Beispiel gibt es die Automobil- , Luftfahrt- , Weltraumforschung und Sport . Auf sportlicher Ebene können Geräte wie Skifahren, Tennisschläger oder sogar Hockeyschläger erwähnt werden. Neue Objekte wie Prothesen wurden ebenfalls erheblich verbessert und sowohl im Behindertensport als auch im täglichen Leben von Menschen mit Behinderungen eingesetzt, so dass einige Menschen beispielsweise ihre berufliche Tätigkeit fortsetzen können.
Innovationen im Sport können mehrere sehr unterschiedliche Ziele haben: Entwicklung eines Sports, beispielsweise durch Steigerung der Effizienz und Leistung oder durch Steigerung seines spektakulären Charakters, Schaffung neuer Sportarten dank technologischer Erfindungen oder sogar Öffnung eines Sports für ein breiteres Publikum Praktiker.
Der finanzielle Aspekt und der Wettbewerb zwischen verschiedenen Unternehmen können diese großen Innovationen ebenfalls negativ beeinflussen. Wenn ein Unternehmen über ein Labor oder ein Konstruktionsbüro in die Forschung an Verbundwerkstoffen investiert, sind seine Konkurrenten gezwungen, dasselbe zu tun, oder es besteht die Gefahr, dass sie verschwinden.
Zwei Beispiele veranschaulichen dies. Zunächst das alpine Skifahren, bei dem Innovation auf die Entwicklung des Wettbewerbs- oder Freizeitsports abzielt, und dann der Handsport, der zeigt, wie bestimmte Fortschritte den Zugang zu neuen Sportarten eröffnet haben.
Der Einfluss von Verbundwerkstoffen auf das alpine SkifahrenDas Skifahren erschien mehrere tausend Jahre vor Christus in Form von einfachen Holzbrettern, mit denen man sich auf Schnee bewegte. Es war daher immer mit Verbundwerkstoffen verbunden. Es ist das Ende des XIX - ten Jahrhunderts , dass die ersten Speed - Wettbewerbe organisiert sind und dass wir beginnen , zu entwickeln. Der Anfang der XX - ten Jahrhundert durch die Industrialisierung gekennzeichnet ist Alpinski mit als Höhepunkt der ersten Olympischen Winterspiele in Chamonix im Jahr 1924, obwohl die alpinen nur in erscheinen Garmisch-Partenkirchen in dem Zeitpunkt , dass im Jahr 1936, Skier wurden hauptsächlich aus Holz und erst später werden Hybrid-Ski erscheinen, die teilweise aus Verbundwerkstoffen (außer Holz) hergestellt wurden. Ab 1950, nach dem Zweiten Weltkrieg , werden viele Änderungen vorgenommen (Materialien, Bindungen, Sticks usw.).
Der Ski kann als heterogener Mehrschichtträger betrachtet werden, der aus verschiedenen Elementen besteht. Unter diesen bestehen einige zumindest teilweise aus Verbundwerkstoffen. Es gibt insbesondere den Kern, den zentralen Teil des Skis, der noch größtenteils aus geklebtem Schichtholz besteht, wodurch die Fasern mechanisiert werden können, um die Leistung zu steigern. Um sie steifer zu machen, können Rennski mit Titanplatten oder anderen extrem steifen Materialien ausgestattet werden. Andere Teile als der Kern verwenden ebenfalls Technologien, die für Verbundwerkstoffe spezifisch sind. Als Beispiel kann eine Verbundschicht mit einer Glasfaser / Epoxidharz-Verstärkung über der Sohle oder auch Aluminiumlegierungsverstärkungen in Kombination mit solchen aus Glas / Epoxid erwähnt werden.
Der Ski ist eine äußerst heterogene Struktur, da er aus mehreren Elementen sehr unterschiedlicher Natur besteht, die selbst aus einer Verbundanordnung bestehen können.
Andere Geräte wurden untersucht, um die Leistung zu steigern. Helme werden zum Beispiel aus Materialien hergestellt, die einen möglichst geringen Luftwiderstand aufweisen und manchmal trotz des dadurch entstehenden Widerstandsverlusts und damit der Sicherheit.
Verschiedene Dinge können die Suche und Verwendung neuer Technologien erschweren. Erstens können Sportvorschriften Verbesserungen einschränken. Dies geschah 1979 mit dem kanadischen Skifahrer Ken Read nach seinem Sieg bei der Abfahrt von Morzine-Avoriaz. Er wurde disqualifiziert, weil sich herausstellte, dass sein Hybridanzug nicht den Durchlässigkeitsstandards entsprach, die durch die Vorschriften des Internationalen Skiverbandes genehmigt wurden . Dies ermöglicht es uns, einen der schädlichen Aspekte des technologischen Fortschritts zu erkennen: Innovation im Dienste des Betrugs, dh den Einsatz neuer Technologien, um mögliche Lücken in den Vorschriften zu umgehen. Darüber hinaus ist Leistung nicht der einzige Aspekt, den Innovation anstrebt. Komfort zum Beispiel ist das wesentliche Element für den Urlauber beim Skifahren. Dies sind nicht unbedingt die gleichen Materialien, die im High-Tech- oder Freizeitsport verwendet werden, und dies erschwert die Suche nach den verschiedenen Marken, die nicht an allen Fronten gleichzeitig wirken können. Um dies zu veranschaulichen, spricht das oben erwähnte Beispiel für Sicherheit Bände. Im fortgeschrittenen Sport haben bestimmte Leistungsanforderungen zur Entwicklung extrem aerodynamischer Materialien geführt, manchmal zum Nachteil der Sicherheit. Im Freizeitsport ist es im Allgemeinen umgekehrt und Sicherheit ist eines der wesentlichen Kriterien, um Verbraucher anzulocken.
Das Beispiel Skifahren zeigt die Komplexität des technologischen Fortschritts im Sport und insbesondere von Verbundwerkstoffen. Zusätzlich zu komplexen Geräten, die aus mehreren verschiedenen Verbundwerkstoffen bestehen, variieren die gewünschten Eigenschaften je nach Art der gewünschten Verwendung enorm.
Der Fall des behinderten Sports oder des "hybriden" MannesIm Zusammenhang mit Behindertensportarten ist die Prothese ein wesentlicher Bestandteil der Leistung des Sportlers. Das Komposit ist nicht länger ein Objekt "außerhalb" des Körpers, sondern eine direkte Erweiterung des Körpers des Athleten. Diese Substitution bringt eine Kategorie von Menschen hervor, die als " Hybriden " (Mischung aus menschlichem Körper und Technologie ) definiert ist. Die Hybridisierung führt zu einer adaptiven Kompensation und funktionalen Zuordnung des Körpers. Laut Henry Dougan ist Hybridisierung zweiwertig: "Hybridisierungsprozesse stören feste Grenzen, sie können brutale Reaktionen hervorrufen, die darauf abzielen, essentielle Marker zu stärken", oder für Jean-Michel Besnier zwingt uns die Technik, alles neu zu erfinden, sei es menschlich, moralisch oder wertebezogen. Eins mit Technik zu werden ist nicht mehr nur eine Gewohnheit, sondern eine echte Veränderung von sich selbst. Der Hybrid ist eine gemischte und eine verwirrte Mischung, da die Abgrenzung zwischen Natur und Kunstgriff eine Identitätsstörung hervorruft.
Vor den 1960er Jahren, als die ersten offiziellen Paralympischen Spiele in Rom stattfinden sollten, wurde noch nicht zwischen dem gültigen und dem ungültigen Athleten unterschieden, da das Konzept des Handicaps im sportlichen Kontext immer noch schlecht definiert ist. Es war daher üblich, dass Athleten , wer auch immer sie waren, an denselben Sportveranstaltungen teilnahmen. Zum Beispiel Karoly Takacs , ungarischer Schütze, der 1948 an der rechten Hand amputiert wurde, oder George Eyser , einbeiniger Turner (1904). Erst nach 1960 wurde die Unterscheidung getroffen, aber es kam immer noch zu Kontroversen.
Bei aktuellen Fragen zu menschlichen Grenzen ist der bekannteste Fall der von Oscar Pistorius , einem südafrikanischen Sportler mit doppelter Amputation seiner Beine. Er muss als Ausnahme angesehen werden, denn obwohl er zwei Prothesen hat, läuft er mit den Behinderten und dies führt zu großen Kontroversen. Es ist daher ein behinderter Athlet, der sowohl im Handsport als auch mit körperfähigem Körper gelaufen ist.
Es scheint die Verkörperung der Entwicklung biotechnologischer Interventionen zu sein, die selbst von Fortschritten in Bezug auf Verbundwerkstoffe in einem Ausmaß profitieren, dass ihre Leistung ohne die Hilfe der Technologie unerreicht wäre :
„Die Größe seiner Prothesen würde die Größe seiner Schritte erhöhen. Wenn der Apparat seiner „einfach amputierten“ Gegner das gültige Bein nicht überschreiten kann, wird Pistorius vorgeworfen, seine doppelte Amputation ausgenutzt zu haben, um künstlich zu wachsen. ""
Die Kontroverse liegt in der Tatsache, dass die potenziell überlegene Leistung von leistungsfähigen Athleten nur mit einem Gerät möglich ist, das einen Teil des Körpers des Athleten ersetzt. Die Situation um seine Sportklassifikation zeigt, dass Oscar Pistorius eine problematische „Mischung“ ist: Er ist sowohl Mensch als auch Maschine. Sein sportlicher Körper ist eine Hybridisierung mit einer Prothese aus Kohlefaserblättern . Als „behinderter Athlet“ ist seine technologische Hybridisierung eine Verpflichtung, die mit seiner Disziplin verbunden ist, aber im Vergleich zu anderen Athleten als zu wichtig angesehen werden kann.
Mechanische Unterstützung, die insbesondere durch die Entwicklung von Verbundwerkstoffen ermöglicht wird, die die Prothesen von Sportlern bilden, kann die Schaffung von "Übermenschen mit beispielloser Leistung" fördern. Handisport ist ein direkter Zeuge dieser Entwicklung mit verschiedenen Technologien.
Das Verhalten eines Verbundmaterials wird wie folgt beschrieben, den euklidischen Formalismus der Kontinuum Verwendung Mechanik :
Das obige Problem kann nicht einfach gelöst werden, außer bei sehr einfachen Geometrien (kugelförmige Einschlüsse, Fasern, gestapelte Bleche oder allgemein bei Einschlüssen mit ellipsoider Form).
Die Forschung zielt darauf ab, das Verhalten des Verbundwerkstoffs zu beschreiben, ohne unbedingt dessen genaue Geometrie zu kennen, indem versucht wird, die Verformungsenergie des Verbundwerkstoffs (die Verformungsenergie eines Materials ist) zu begrenzen . Wir können also die Grenzen nennen von:
Die Mechanik der Komposite ist noch ein Gebiet der aktiven Forschung theoretischer: mechanischen oder elektrischen Verhaltens, lineare, nicht-lineare, viskoelastische , mit Rissen oder Plastizität , Knicken , usw.
Eine Einschränkung dieser Modellierung besteht darin, dass es nicht möglich ist, die Mikrogeometrie eines realen Verbundwerkstoffs genau zu kennen: Es gibt immer Defekte; Die Modellierung ermöglicht es jedoch, das konstitutive Gesetz ziemlich genau zu beschreiben.
Ein weiteres Interesse dieser theoretischen Forschung zwischen der Geometrie eines Verbundwerkstoffs und seinem konstitutiven Gesetz ist die Verkörperung eines Materials, dessen mechanische Eigenschaften durch Computeroptimierung erhalten wurden.
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