Entwicklung eines Reparaturverfahrens für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe unter Verwendung thermisch aktivierter Oxid-Halbleiter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif; Dr. Rolf-Dieter Hund
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244448274

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Entwicklung eines Reparaturverfahrens für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe unter Verwendung thermisch aktivierter Oxid-Halbleiter“ konnten die grundsätzlichen wissenschaftlichen Fragestellungen zum neuen Reparaturkonzept auf Basis der katalytischen Zersetzung der Matrix in geschädigten Bereichen von CFK-Verbundbauteilen tiefgreifend erforscht werden. Alle Stufen des Reparaturprozesses wurden aufeinander aufbauend dargestellt und wissenschaftlich untersucht. Im Ergebnis der Projektbearbeitung sind grundlegende Erkenntnisse als Basis für eine anwendungsnahe Weiterentwicklung des Verfahrens verfügbar. In grundlegenden, systematischen Untersuchungen des Primärschritts Matrixentfernung mittels katalytisch arbeitender anorganischer Halbleitermaterialien, wurden verschiedene Metalloxide, Wärmequellen und Prozessparameter umfassend analysiert. Die dazu erforderlichen experimentellen Arbeiten und instrumentellen Analysen führen zur Identifizierung von Dichromtrioxid (Cr2O3) als geeignetes Katalysatormaterial, von IR-Strahlern als effektiv arbeitende Wärmequellen und von Parametern wie definierten Bestrahlungszeiten und -abständen für die Matrixentfernung. Die zugmechanischen Prüfungen an freigelegten CF zeigen, dass die Matrixentfernung in Abhängigkeit von der Behandlungszeit nur einen geringen Einfluss auf die Faserschädigung hat. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass ein lokal definierter oberflächiger Matrixabbau mit exakter Kantenbildung im Reparaturbereich erreichbar ist. Die visuelle Bewertung von REM- bzw. Mikroskopieaufnahmen für eine qualitative Gütebestimmung des Matrixabbaus in den Proben zeigt oberflächig vollständig freigelegte CF und einen ca. 1 mm breiten Übergangsbereich. Faserschädigungen und Matrixrückstände konnten nicht festgestellt werden. Unter Verwendung von Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Einzelfasertensiometrie konnten die grundlegenden Effekte der Matrixentfernung auf die Grenzschicht nachgewiesen und Maßnahmen zur haftungsgerechten Einstellung dieser abgeleitet werden. Die erfolgreiche Entwicklung und Validierung eines FE-Simulationsmodells erlaubt die Berechnung von anforderungsgerechten und maßgeschneiderten Reparaturpatches und weiterführend deren zielgerichtete textiltechnische Umsetzung und Einbringung in geschädigte CFK-Verbunde. Systematische Untersuchungen zum Wiederauffüllen von CFK-Verbunden mit Bereichen katalytisch entfernter Matrix haben neue Methoden zur Infiltration hervorgebracht. Die damit wiederhergestellten CFK-Probekörper erreichten für den Fall der max. Biegespannung ca. 80 % der Referenzwerte des ungeschädigten CFK-Verbundes. Die bisher erreichten Versagensgrenzen können zum einen durch eine verbesserte Matrixkompatibilität der Schlichten, deren Entwicklung für die zweite Phase beabsichtigt war, und zum anderen durch die weitere Optimierung der Imprägnierung und Konsolidierung zur Beseitigung von Lufteinschlüssen sowie Matrixresten deutlich erhöht werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das vom ITM patentierte Verfahren zu sehr guten Reparaturergebnissen geführt hat, die mehrfach publiziert wurden. Die erzielten Forschungsergebnisse bilden eine sehr gute Grundlage zur automatisierten Reparatur von CFK-Strukturen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Local repair procedure for carbon fiber reinforced plastics by refilling with thermoset matrix. Journal of Applied Polymer Science, 2015
  Küchler, K.; Staiger, E.; Hund, R.-D.; Diestel, O.; Kirsten, M.; Cherif, C.
  
• Verfahren zum Reparieren von Faser-Kunststoff-Verbünden. Schutzrecht DE102013112933B4. Technische Universität Dresden. Erteilt: 30.07.2015
  Cherif, C.; Hund, R.-D.; Küchler, K.; Staiger, E.
  
• Modelling the mechanical properties of textilereinforced composites with a near micro-scale approach. Composite Structures 135:1-7, 2016
  Döbrich, O.; Gereke, T.; Cherif, C.
  
• Simulation of patched woven fabric composite structures under tensile load. Tekstilec, 2016, 59(2), pp. 175-181
  Hübner, M.; Staiger, E.; Küchler, K.; Gereke, T.; Cherif, C.
  
• Simulation of woven fabric composite structures under tensile load. In: Proceedings. 16th World Textile Conference AUTEX 2016, Ljubljana (Slowenien). June 8-10. pp. 29-30
  Hübner, M.; Staiger, E.; Küchler, K.; Gereke, T.; Cherif, C.