Untersuchungen zum Einfluss strukturierter z-Pins auf die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss einer definierten Oberflächen-Mikrostrukturierung der z-Pins auf das Pullout-Verhalten, die Inplane-Zug- und Druckeigenschaften sowie die bruchmechanischen Eigenschaften unter Mode-I Rissöffnungsbeanspruchung dreidimensional z-Pin-verstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde untersucht. Dabei wurden die Ergebnisse mikrostrukturierter z-Pins mit unterschiedlichen Kerbendefinitionen (Form und Geometrie) den Ergebnissen ungekerbter Pins gegenübergestellt und der Einfluss von Kerbenform, Kerbentiefe sowie Kerbenabstand ermittelt. Es kann gezeigt werden, dass die Brückenkräfte, die durch die z-Pins hervorgerufen werden, positiv beeinflusst werden, abhängig von der Kerbendefinition. Mit den untersuchten Kerbendefinitionen können Erhöhungen der resultierenden Pullout-Energien von bis zu 40% bei UD-Laminaten (rechteckige Kerbenform, 10 µm Kerbentiefe, 100 µm Kerbenbreite und -abstand) sowie bis zu 74% bei QI-Laminaten (runde Kerbenform, 15 µm Kerbentiefe, 100 µm Kerbenbreite und -abstand) erreicht werden. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass weitergehende Verbesserungen möglich sind, werden die Parameter der Kerbendefinition (Form, Breite, Tiefe, Abstand) weiter entsprechend miteinander kombiniert. Die Erhöhung der Pullout-Energien spiegelt sich in den resultierenden bruchmechanischen Eigenschaften unter Mode-I-Rissöffnungsbeanspruchung wider. Die kritische Energiefreisetzungsrate GIC kann bei UD-Laminaten, bei Verwendung einer rechteckigen Kerbenform (10 µm Kerbentiefe, 100 µm Kerbenbreite und -abstand), um 12,7% erhöht werden, im Vergleich zu Laminaten, die mit ungekerbten z-Pins verstärkt sind. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen der Inplane-Eigenschaften (Druck und Zug) kann geschlussfolgert werden, dass durch die Mikrostrukturierung der z-Pin-Oberfläche keine nachteiligen Effekte auf die resultierenden Festigkeiten und E-Moduln hervorgerufen werden. Die Einbringung von z-Pin ruft allgemein eine wesentliche Reduzierung der Zug- und Druckfestigkeiten sowie Zug- und Druckmoduln hervor, dadurch, dass die z-Pins Veränderungen der Faserstruktur des Laminates hervorrufen. Durch die Mikrostrukturierung können sogar Reduzierungen der Faserwelligkeiten (Inplane) beobachtet werden, die einen positiven Effekt auf die Druckfestigkeiten zeigen. Je tiefer die Kerben sind, desto größer ist dieser positive Effekt. Der Druckmodul hingegen zeigt keine messbaren Effekte, die durch die Mikrostrukturierung hervorgerufen wird. Aus den bisherigen Untersuchungsergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass eine definierte Mikrostrukturierung der z-Pins eine Möglichkeit darstellt, die Effektivität einer z-Pin-Verstärkung signifikant zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens wesentlich zu verbessern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss gekerbter z-Pins auf die bruchmechanischen sowie In-plane Eigenschaften z-Pin verstärkter Prepreg-Laminate. 18. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik, Duisburg, 01.-02.10.2020
Knopp, A.; Scharr, G.
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Experimental investigations on the influence of different notch designs on the pullout performance of circumferentially notched z-pins. Journal of Composite Science (2020), 4(2), 67
Knopp, A.; Scharr, G.
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Experimental investigations on the influence of notch definition on the pullout performance of circumferentially notched z-pins. Composite Structures (2020), 250, 112527
Knopp, A.; Scharr, G.
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Tensile Properties of Z-Pin Reinforced Laminates with Circumferentially Notched Z-Pins. Journal of Composite Science (2020), 4(2), 78
Knopp, A.; Scharr, G.
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Compression properties of z-pinned carbon-fibre/epoxy laminates reinforced with circumferentially notched z-pins. Composite Science and Technology (2021), 201, 108486
Knopp, A.; Scharr, G.
