Ermüdung von FKV unter thermischer Zyklierung

• Antragsteller: Dr. Gerhard Kalinka; Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379482657

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Faserkunststoffverbunde (FKV) werden als Konstruktionswerkstoff in Kryo-Druckbehältern zur Wasserstoffspeicherung eingesetzt. Sie sind dort zyklischen Temperaturlasten im kryogenen Bereich ausgesetzt, die zur Materialermüdung führen können. Aufgrund des schnellen Betankungsprozesses treten zudem im Material örtliche Temperaturgradienten auf. In dem Projekt wurde das Ermüdungsverhalten von carbonfaserverstärkten Faserkunststoffverbunden (CFK) unter zyklischer thermischer Belastung untersucht. Zentrale Forschungshypothese war, dass die Ermüdung durch zyklische Temperaurbelastung aufgrund von intra- und interlaminaren Eigenspannungen auf mehreren Skalenebenen stattfindet. Diese Eigenspannungen werden durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Faser und Matrix auf der Mikroebene und durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung benachbarter Lagen mit unterschiedlicher Faserorientierung in einem mehrlagigen Laminat auf der Makroebene hervorgerufen. Die durch die Temperaturdifferenzen bedingten mechanischen Belastungen lassen sich mit einem äquivalenten mechanischen Spannungszustand beschreiben und wie ein solcher in einem Ermüdungsschädigungsmodell behandeln. Die Ermüdungsschädigungsmechanismen im CFK unter thermisch/mechanischer Belastung wurden eingehend untersucht. Dazu wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt, das die Schädigungsmechanismen von der Einzelfaser-Ebene bis hin zum mehrlagigen Laminataufbau systematisch erforscht. Die Übertragung der aus den Experimenten gewonnen Erkenntnisse in mathematische Modelle ermöglichte, die Phänomene in Simulationen nachzuvollziehen und teilweise zu erklären.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Interfacial shear strength of a glass fiber/epoxy bonding in composites modified with carbon nanotubes. Composites Science and Technology, 70(9), 1346-1352.
  Godara, A.; Gorbatikh, L.; Kalinka, G.; Warrier, A.; Rochez, O.; Mezzo, L.; Luizi, F.; van Vuure, A.W.; Lomov, S.V. & Verpoest, I.
  
• Fatigue damage model for fibre-reinforced polymers at different temperatures considering stress ratio effects. Journal of Composite Materials, 52(29), 4023-4050.
  Lüders, Caroline; Krause, Daniel & Kreikemeier, Janko
  
• Adaptive cycle jump and limits of degradation in micromechanical fatigue simulations of fibre-reinforced plastics. International Journal of Damage Mechanics, 28(10), 1523-1555.
  Lüders, Caroline; Sinapius, Michael & Krause, Daniel
  
• Fatigue of fibre-reinforced plastics due to cryogenic thermal cycling. Journal of Composite Materials, 53(20), 2849-2861.
  Lüders, Caroline & Sinapius, Michael
  
• Experimental and numerical multiscale approach to thermally cycled FRP. Composite Structures, 244, 112303.
  Lüders, Caroline; Kalinka, Gerhard; Li, Wei; Sinapius, Michael & Wille, Tobias
  
• Nonlinear-Elastic Orthotropic Material Modeling of an Epoxy-Based Polymer for Predicting the Material Behavior of Transversely Loaded Fiber-Reinforced Composites. Journal of Composites Science, 4(2), 46.
  Lüders, Caroline
  
• “Mehrskalige Betrachtung des Ermüdungsverhaltens thermisch zyklierter Faserkunststoffverbunde”. Dissertation. Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, 2020
  C. Lüders