Einfluss der Matrixeigenschaften auf das Ermüdungsverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) lassen sich verschiedene Skalen bzw. Ansätze verfolgen. Durch die Anisotropie und die Vielzahl der möglichen Lagenaufbauten und Mikrostrukturen bietet ein konstituentenbasiertes Werkstoffverständnis das Potential der Erfassung universeller Zusammenhänge, durch die in jeder Konstellation vorhandenen Fasern, Matrixpolymere und Faser-Matrix-Interfaces. Das Ziel des Projektes war es, den Einfluss der Matrixeigenschaften auf die Ermüdungseigenschaften des Faserverbundes in endlosfaserverstärkten Kunststoffen zu erfassen. Hierfür ist es erforderlich lediglich die Eigenschaften des Matrixpolymers zu modifizieren. Im Vorhaben wird energiereiche γ-Strahlung verwendet, um möglichst selektiv das Matrixpolymer zu modifizieren bei möglichst geringer Änderung des Gesamtsystems. Trotz des großindustriellen Einsatzes des Verfahrens ist der Zusammenhang zwischen erzielter Eigenschaftsänderung und aufgebrachter Dosis für typische Matrixpolymere nur bedingt bekannt. Im ersten Schritt des Vorhabens wurden auf Basis einer umfangreichen Recherche sechs Polymere identifiziert: drei Cyanatester Harze, Bisphenol-A basiertes Epoxidharz und Polycarbonat sowie ein thermoplastisches Polyurethan. In einer anfänglich durchgeführten Versuchsreihe konnten Polycarbonat und Epoxidharz als vielversprechende Matrixpolymere identifiziert werden. Die gefundenen Bestrahlungsparameter wurden analog zur Bestrahlung von glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten verwendet. Eine umfangreiche Charakterisierung der Polymere in zwei Bestrahlungseinstellungen bildet die Datengrundlage zur Korrelation mit der an den Laminatproben beobachteten Ermüdungsschädigung. Schwellende Querzug- und Längsdruckbelastungen stehen im Fokus der experimentellen Untersuchung ergänzt um stichprobenartige Schubversuche. Mit dem Ziel die durch die äußeren Laminatlasten erzeugten Spannungszustände innerhalb der Matrix möglichst umfassend zu berücksichtigen wird das Verhalten der unverstärkten Polymere hinsichtlich der Aspekte monotoner Belastung, Druck- und Zeitabhängigkeit, bestrahlungsinduzierter Relaxation sowie unter zyklischer Belastung erfasst. Ein neu entwickelter Mikroskopaufbau ermöglicht eine Livebeobachtung der Querlagen und weiterhin auch die lokale Dehnungsauswertung. Bei der Analyse der Schädigungsursachen wurden die inhomogene Faserverteilung und Nähfäden als ortsbestimmende Faktoren für die Rissinitiierung identifiziert. Die Matrix beeinflusst hingegen den Zeitpunkt und die resultierende Rissdichte durch ermüdungsinduzierte Degradation, die jedoch gleichzeitig durch Eigenspannungen beeinflusst ist. Durch ein ergänzendes FE-Model konnte weiterhin gezeigt werden, dass durch eine verstärkte Relaxation faserreicher Bereiche eine Spannungshomogenisierung stattfindet. Unter Längsdruckbelastung konnte experimentell durch verschiedene Belastungsprofile eine Zeitabhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit identifiziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
“Irradiation induced crosslinking in thermoplastic polyurethanes for structural applications,” presented at the 23. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Leoben, Austria, Jun. 2022.
A. Baumann & J. Hausmann
-
“Correlating composite fatigue to its matrix properties,” presented at the Fatigue 2022+1, Hiroshima, Japan, Nov. 2023.
A. Baumann & J. Hausmann
-
“Effect of high energy radiation on technical polymers,” presented at the Proceedings 60th ISC, Ilmenau: ilmedia, 2023.
A. Baumann & J. Hausmann
-
In Situ Microscopy of Fatigue-Loaded Embedded Transverse Layers of Cross-Ply Laminates: The Role of an Inhomogeneous Fiber Distribution. Journal of Composites Science, 8(9), 366.
Baumann, Andreas; Duhovic, Miro & Hausmann, Joachim
-
Effect of high-energy radiation on the relaxation of residual stresses in polycarbonate and epoxy resin by stress optics. Radiation Physics and Chemistry, 226, 112236.
Baumann, Andreas & Hausmann, Joachim
