Damage tolerant Thin-Ply Carbon Fiber Reinforced Composites with Graphene enhanced Matrix
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Die Hauptzielsetzung und Forschungsfrage des Projekts lautet „.. ob und wie Nanopartikel im Allgemeinen und Graphen-Nanopartikel im Besonderen die Nachteile von Thin-Ply Laminaten, wie z.B. das ausgeprägte Sprödbruchverhalten und die ungünstige Charakteristik von Schlagschäden, ausgleichen können.“ Diese Frage wurde in diesem Projekt über verschiedene Skalen verfolgt um die Wirkmechanismen von Carbon-Nanopartikel-Modifizierung in Epoxidharz und Kohlenstofffaser-Epoxidharz- Kompositen zu verstehen und zu nutzen. Es wurde als neuartige Testmethode Harzfasern mit Partikelmodifizierung hinsichtlich ihrer Festigkeit untersucht. Hierbei konnte der Einfluss der Nanopartikel auf den Volumeneffekt bestimmt werden. So zeigen Carbon-Black und SWCNTs keinen negativen Einfluss auf den Größeneffekt, sondern können im Falle von SWCNTs die Festigkeit noch erhöhen. Dies gilt sofern keine Agglomerate oder Verunreinigungen vorliegen, welche als Schadenensinitiator dienen. Es hat sich gezeigt, dass das untersuchte FLG aufgrund seiner Größe und den Lagenaufbau den Größeneffekt stört. Je nach Orientierung in Lastrichtung und Volumen der Probe wirkt Graphen als Verstärkung oder Rissstarter. Diese Ergebnisse wurden im weiteren Verlauf auch in Faser-Kunststoffverbunden bestätigt. So wurden FKV mit Standard-Schichtdicke hergestellt. Hier zeigte sich, dass die Graphenmodifizierung bei Mehrschichtverbunden mit verschiedenen Lagenaufbauten nicht für alle Lagen denselben Wirkmechanismus und Effekt hat. So zeigte sich, dass bei einem Kreuzverbund unerwarteter weise eine Modifikation nur der 0°-Schichten die quasistatische Zugfestigkeit erhöht, obwohl sie von Fasereigenschaften dominiert wird. Je nach Lastfall kann eine maßgeschneiderte Modifikation einzelner Schichten im Vergleich zu unveränderten oder einer Modifikation aller Schichten vorteilhaft sein. Bei quasistatischer oder zyklischer Zugbelastung ändert eine Modifikation der 90°-Schichten das Querrissverhalten und hat das Potenzial, die Initierung von Matrixbrüchen zu höheren Lasten zu verschieben. Dies könnte für Anwendungen nützlich sein, bei denen Matrixbrüche ein Designkriterium sind. Für eine Erhöhung der Zugfestigkeit von Verbundlaminaten ist zusätzlich eine 0°-Schichtmodifikation oder eine Modifikation aller Schichten vielversprechend. Prepreg mit Schichtdicken von Ultra-Thin-Ply (29 µm / 30 g/m2) bis hin zu Thick-Ply (220 µm / 240 g/m2) mit und ohne Graphen-Modifizierung in industrieller Qualität wurden hergestellt. Um den Partikel zur Modifikation auszuwählen, wurden Bruchzähigkeitsuntersuchungen an Prepregharz-Nanokompositen durchgeführt. Hierbei wurde ein Graphenpartikel mit großem Durchmesser und hohem Aspektverhältnis ausgewählt, da dieser die höchste Bruchzähigkeitssteigerung bereits bei einem geringen Füllgrad zeigte. Zudem haben die Graphenpartikel, wie bei den Harzfasern gezeigt, das Potential neue Energieverzehrende Schadensmechanismen im Faserverbund zu initiieren. Mit dem Thin-Ply Prepreg wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, anhand derer sich ein geschlossenes Bild über den Einfluss von graphenmodifizierter Matrix auf das Versagensverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen zeichnen lässt. Generell steigt die interlaminare Bruchzähigkeit signifikant an. Der Einfluss auf die Festigkeit und das Schädigungsverhalten kann nicht von der Schichtdicke getrennt werden, da die Schichtdicke einen signifikanten Einfluss auf den Spannungszustand im gesamten Laminat hat. Es hat sich gezeigt, dass eine vollständige Graphenmodifizierung besonders vorteilhaft für dünnschichtige in der Ebene belastete Laminate bei Schichtdicken <120 g/m2 mit Spannungskonzentration ist. Hier wird am Nanopartikel im Laminat verteilt Schaden initiiert, was progressiveres Versagen und eine signifikant höhere Festigkeit zur Folge hat. Dies reduziert einen Nachteil, welchen Thin-Ply-Laminate bisher aufwiesen und ihren Einsatz begrenzten. Bei höheren Schichtdicken >60g/m2 ist eine „Tailored“ Modifikation von Vorteil, da hier der Versagensprozess durch lokal gesteuerte Bruchzähigkeits- und Festigkeitsverteilung gesteuert werden kann und somit die Festigkeit auch bei dicklagigen Laminaten gesteigert wird. Bei Low-Velocity-Impactschäden ist im Hinblick auf die Druckrestfestigkeit eine Modifizierung von dickschichtigen Laminaten besonders sinnvoll. In Hinblick auf einer Reduktion des absoluten Schadens ist eine Modifikation mit Graphennanopartikeln über alle Schichtdicken hinweg sinnvoll.
Publications
- New test approach to determine the transverse tensile strength of CFRP with regard to the size effect, Composites Communications, 1 2016, pp. 54–9
W. V. Liebig, C. Leopold, T. Hobbiebrunken, B. Fiedler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.coco.2016.09.003) - Size effect of graphene nanoparticle modified epoxy matrix, Composites Science and Technology, 134 2016, pp. 217–25
C. Leopold, W. V. Liebig, H. Wittich, B. Fiedler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.08.022) - Compression Fracture of CFRP Laminates Containing Stress Intensifications, Materials, 10, (9) 2017
C. Leopold, M. Schütt, W. V. Liebig, T. Philipkowski, J. Kürten, K. Schulte et al
(See online at https://doi.org/10.3390/ma10091039) - Influence of carbon nanoparticle modification on the mechanical and electrical properties of epoxy in small volumes, Journal of Colloid and Interface Science, 506 2017, pp. 620–32
C. Leopold, T. Augustin, T. Schwebler, J. Lehmann, W. V. Liebig, B. Fiedler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.07.085) - Carbon Nanoparticles’ Impact on Processability and Physical Properties of Epoxy Resins—A Comprehensive Study Covering Rheological, Electrical, Thermo-Mechanical, and Fracture Properties (Mode I and II), Polymers 2019, 11(2), 231
H. Meeuw, J. Körbelin. A. S. Nia, A.R. Vázquez, M.R. Lohe X. Feng, B. Fiedler
(See online at https://doi.org/10.3390/polym11020231) - Damage mechanisms of tailored few-layer graphene modified CFRP cross-ply laminates, Composites Part A, 117 2019, 332- 344
C. Leopold, G. Just, I. Koch, A. Schetle. J.B. Kosmann, M. Gude, B. Fiedler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2018.12.005)
