Experimentelle Untersuchung und einzelschichtbasierte Simulation von Wegabhängigkeiten des statischen Festigkeitsverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wesentlichen Ziele des Forschungsvorhabens waren die experimentelle Untersuchung von Wegabhängigkeiten der statischen Festigkeit von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), die Weiterentwicklung der Acoustic-Emission-Analyse zur Schadensfeststellung und die Anpassung der einzelschichtbasierten Festigkeitsanalyse an die gewonnenen Erkenntnisse und deren Validierung. Die Probekörperherstellung und die durchgeführten Untersuchungen waren mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft. Aufgrund des sehr dichten Faserhalbzeugs und der relativ großen Laminatdicke konnte das Vakuuminjektionsverfahren nicht angewendet werden. Zur Imprägnierung musste deshalb auf Überdruck (RTM) übergegangen werden. Die auf diese Weise hergestellten Laminatplatten wiesen infolge von Matrixschrumpf und Härtespannungen ein hohes Eigenspannungsniveau auf, so dass vielfach bereits Zwischenfaserbrüche (ZFB) in den äußeren 90°-Schichten schon unmittelbar nach der Härtung vorhanden waren (insbesondere orthotrope Typ-B-Laminatkonfiguration). Im Verlauf der Versuche stellte sich weiterhin heraus, dass es bei Typ-B-Proben nicht möglich ist, ZFB durch 4-Punkt-Biegung zu erzeugen. Diese durchtrennten sofort das 90°-Lagenpaket auf der Zugseite der Probe, woraufhin dieses großflächig von der angrenzenden 0°-Schicht delaminierte und eine weitere Verwendung des Probekörpers ausgeschlossen war. Der Einfluss wegabhängiger Vorschädigungen auf die Zugfestigkeit konnte daher nur bei der quasi-isotropen Typ-A-Laminatkonfiguration untersucht werden. Nach Vorschädigung durch 4-Punkt-Biegung nahm die Zugfestigkeit geringfügig um 2 bis 5 % im Vergleich zum Referenzversuch ab. Dagegen zeigten die gemessenen Zug-Elastizitätsmoduln keine statistisch signifikanten Veränderungen. Alle gemessenen Druckfestigkeitskennwerte lagen innerhalb des Streubands des Referenzversuches. Im Gegensatz dazu nahm der Druckmodul unabhängig vom Grad der Vorschädigung näherungsweise um etwa 12 % ab. Die Vorschädigung durch Zug- und die nachfolgende Druckbelastung beeinflussten die Druckfestigkeit von Typ-A-Proben näherungsweise nicht, verringerten aber den Druck-E-Modul unabhängig vom Schädigungsgrad um etwa 9 % im Vergleich zum Referenzversuch. Der Druck-Elastizitätsmodul von Proben aus dem orthotropen Typ-B-Laminat verringerte sich bei Zugvorschädigung um etwa 15 %. Die bei diesen Proben beobachtete Abminderung der Druckfestigkeit in Höhe von etwa 50 % war unerwartet hoch und erscheint fragwürdig. Die Ursache für dieses Ergebnis konnte trotz sorgfältiger Überprüfung nicht geklärt werden. Das Acoustic-Emission-Verfahren ist geeignet, Zwischenfaserbruchereignisse zuverlässig zu detektieren. Beim Zugversuch als zweitem Lastschritt konnte eine Korrelation zwischen der Höhe der freigesetzten akustischen Energie und dem vorschädigungsbedingten Abfall der Restfestigkeit beobachtet werden.
