Short-term dynamic stress-strain behavior of textile high-performance materials

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Subject Area: Polymeric and Biogenic Materials and Derived Composites ; Lightweight Construction, Textile Technology
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269480495

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

In dem geförderten Projektes wurden Prüfmethoden erarbeitet, untersucht und angewendet, die es erlauben grundlegende Erkenntnisse des Materialverhaltens von Hochleistungsfaserstoffen in den über den quasistatischen hinausgehenden Dehnratenbereichen bis 600 s-1 zu gewinnen. Nach der Analyse der vorhandenen Prüftechnik lag der Fokus auf der Konzeptionierung, Umsetzung und Anwendung eines neuen Versuchsstandes auf Basis einer rotierenden Scheibe als Energiespeicher und Wegquelle, bei der ein Mitnehmer bei Erreichen der Zielgeschwindigkeit ausgefahren wird. Dieser Ansatz hat sich als vorteilhaft erwiesen, da das alternative Einschwenken der Probe aufgrund der zur Verfügung stehenden geringen Zeit und der biegeschlafen Natur der Proben nur schwer realisierbar gewesen wäre und die Bewegung der Probe eine exakte Erfassung der wirkenden Kräfte in Faserlängsrichtung enorm erschwert hätte. Für die Fixierung der Proben wurde eine funktionsgerechte form- und stoffschlüssige Methode auf Basis des Einharzens der Probekörper in einem gewichtsminimierten Probenendfixierelement entwickelt, die für alle Dehnratenbereiche einsetzbar ist. Für die Probenpräparation wurde mit Hilfe technologischer Untersuchungen ein reproduzierbarer Prozess entwickelt, der das Aufsteigen des Harzes in die freie trockene Prüflänge aufgrund von Kapillareffekten zuverlässig verhindert. Die Methodik der Krafteinkopplung, -messung und -auswertung wurde gezielt für die Belange der Prüfung von Hochleistungsfilamentgarnen auch bei hohen Prüfgeschwindigkeiten und damit hohen Dehnraten weiterentwickelt. Hierzu wurde ein Messsytemverbund bestehend aus optischen, piezoelektrischen und DMS-basierten Komponenten eingesetzt und dessen Eignung umfassend evaluiert. Mit dem entwickelten neuartigen Prüfsystem wurden anschließend systematische Prüfreihen zur Bestimmung der dehnratenabhängigen Filamentgarnfestigkeiten und -steifigkeiten der untersuchten Hochleistungsfaserstoffe durchgeführt. Es besteht das Potenzial den effektiv nutzbaren Dehnratenbereiches durch weitere konstruktive Weiterentwicklungen zur Minimierung der geschwindigkeitslimitierenden Unwuchten bis auf 1000 s^-1 zu vergrößern. Zur Erweiterung des grundlegenden Verständnisses der physikalischen Prozesse des Bruches bei sehr hohen Dehnraten wurden orientierende fraktografische Untersuchungen der Faserbruchflächen durchgeführt und hinsichtlich existierender Zusammenhänge mit den ermittelten dehnratenabhängigen Kraft-Verformungs-Verhalten analysiert. Abschließend erfolgte auf Basis der experimentellen Untersuchungen die Aufstellung dehnratenabhängiger Werkstoffgesetze zur Beschreibung des dynamischen Werkstoffverhaltens der Hochleistungsfilamentgarne unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten.

Publications

• Research on mechanical and sensoric set-up for high strain rate testing of high performance fibers. In: Proceedings. 17th World Textile Conference AUTEX 2017, Corfu (Greece), May 29-31, 2017
  Unger, R.; Schegner, P.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Research on mechanical and sensoric set-up for high strain rate testing of high performance fibers. Materials Science and Engineering 254 (2017) 142021
  Unger, R.; Schegner, P.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Development of a Multiscale Test Method for the Investigation of Strain Rate Dependent Material Properties of High-Performance Fibers. ECCM18 - 18th European Conference on Composite Materials Athens, Greece, 24-28th June 2018
  Unger, R..; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Investigations on the material behavior of high-performance rovings at strain rates above 80 s-1. In: Proceedings. 18th World Textile Conference AUTEX 2018, Istanbul (Turkey), June 20-22, 2018, pp. 576-577
  Unger, R.; Ashir, M.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Material behavior of carbon and glass fibers on strain rates between 10 and 1000 1/s ICCS21. - 21st International Conference on Composite Structures, Bologna, Italy, 4th -7th September 2018
  Unger, R..; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Evaluation of a novel test method for the determination of strain rate-dependent material properties of high-performance fibers. Procedia Structural Integrity 17(2019), pp. 942-948
  Unger, R.; Nocke, A.; Gerlach, G.; Cherif, Ch.
  
• Investigation of a test method for the determination of strain rate-dependent material properties of high-performance fibers. ICSI2019 3rd, International Conference on Structural Integrity, Funchal, Madeira, Portugal 2nd-5th September 2019
  Unger, R.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Technological development of a yarn grip system for high-speed tensile testing of high-performance fibers. ARJ AUTEX Research Journal
  Unger, R.; Schegner, P.; Nocke, A.; Cherif, Ch.