Multifunctional Metal-C-Fiber-Polymer-Laminates (MCFRP): Modeling and property analysis for damage tolerant, conductive and monitorable lightweight structures
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Basierend auf den im vorrangegangenen Forschungsprojekt erarbeiteten Erkenntnissen zu MCFK-Laminaten wurde im vorliegenden Vorhaben der Kenntnisstand zu den Wirkmechanismen im mechanischen als auch elektrischen Materialverhalten von MCFK vertieft und erweitert. Zu den wichtigsten Erkenntnissen zählen die Einflüsse auf das quasistatische Spannung-Dehnung-Verhalten, das vor allem im Bereich hoher Stahlanteile eine wichtige Erweiterung des derzeitigen Wissenstandes darstellt. Eine weitere wichtige Erweiterung betrifft die Wirkmechanismen im Werkstoffverhalten von hybriden multifunktionalen Laminaten. Vor allem der durch das Versagen der Kohlenstofffasern ausgelöste Wirkmechanismus beim Initialversagen ist dabei für die hier entwickelte Beschreibungsmethode von besonderer Bedeutung. Darauf aufbauend wurde ein wichtiger Beitrag zur numerischen Beschreibung des mechanischen Verhaltens von MCFK innerhalb der FEM erarbeitet. Insbesondere durch die Entwicklung und Implementierung eines strukturmechanischen Materialmodells für unidirektionale stahlfaserverstärkte Kunststoffe ist es möglich, die wesentlichen Wirkmechanismen im quasi-statischen Werkstoffverhalten von MCFK makromechanisch abzubilden und dessen Anwendbarkeit innerhalb von Auslegungsprozessen in der FEM zu ermöglichen. Ferner wird die Effizienz und Flexibilität des im vorangegangenen Projekt verwendeten Fertigungsverfahren durch die Verwendung von vorimprägnierten Verstärkungstextilien im Prepreg-Verfahren signifikant verbessert. Weitere wichtige Erkenntnisse beziehen sich auf das im Vergleich zu CFK vorteilhafte Schädigungsverhalten von MCFK bei Ermüdungsbeanspruchung im Low- und High-Cycle-Fatigue Bereich. Hier konnte gezeigt werden, dass die für zyklische Beanspruchungen charakteristischen Schädigungen wie Mikrorisse oder Delaminationen erst bei wesentlich höheren Lastspielzahlen auftreten und dass dieses Verhalten sowohl bei Raumtemperatur als auch bei niedrigen (-55°C) und hohen (120°C) Temperaturen gegenüber CFK-Laminaten verzögert stattfindet. Überdies wird dargestellt, dass die Definition der exakten Zusammensetzung von Edelstahlfasern für deren Anwendung zur Strukturüberwachung mittels magnetischer Sensorik entscheidend ist und dass die innerhalb von Werkstoffstandards derzeit vorgegebenen Toleranzfelder hierfür nicht ausreichen. Im Rahmen der Untersuchungen zur DC- und AC-Leitfähigkeit und dem damit verbundenen Potenzial zur Erfüllung zusätzlicher elektrischer Funktionen wurde gezeigt, dass die Stromdichte und die elektrische Feldstärke wesentlich von der Faserorientierung abhängen. Daraus folgt für die elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung eine gute Vorhersagbarkeit mit der Mischungsregel nach Voigt. Weiterhin geht aus der Untersuchung der Transmissions-, Reflexions- und Absorptionsspektren von MCFK- und CFK-Laminaten hervor, dass beide Verstärkungsfaserarten bei multidirektionalen Faseranordnungen zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 0,1 bis 2 THz geeignet sind.
Publications
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A novel short-time concept for fatigue life estimation of carbon (CFRP) and metal/carbon fiber reinforced polymer (MCFRP), International Journal of Fatigue (116), 2018, p. 317-322
Backe, S., Balle, F.
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Fatigue properties of multifunctional metal‐ and carbon‐fibre‐reinforced polymers and intrinsic capabilities for damage monitoring, Fatigue and Fracture of Eng. Materials (42), 2019, p. 143 – 151
Backe, S., Balle, F., Hannemann, B., Schmeer, S., Breuer, U. P.
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Metallfaser- und Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Laminate (MCFK): Ermüdungseigenschaften und Potenziale zur Schädigungsüberwachung, Dissertation, TU Kaiserslautern, 2019
Backe, S.
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Beitrag zur Beschreibung des mechanischen Materialverhalten von Metall-Faser-Hybrid-Verbund-Werkstoffen am Beispiel von stahl- und kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz. Dissertation TU Kaiserslautern, September 2022
Rehra, J.
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Metal/Carbon-Fiber Hybrid Composites — Damage Evolution and Monitoring of Isothermal Fatigue at Low and Elevated Temperatures. Journal of Composites Science 6(67), 1–18, 2022
Khatri, B., Rehra, J., Schmeer, S., Breuer, U., Balle, F.
