Entwicklung eines Lebensdauervorhersagekonzepts endlosfaserverstärkter Kunststoffe basierend auf der Temperatur-Zeit-Analogie und unter Einsatz der NIR-Spektroskopie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Wilfried Liebig
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469043941

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) weisen ein zeitabhängiges als auch temperaturabhängiges Materialverhalten auf. Diese Abhängigkeiten sind jeweils durch molekulare Bewegungs- und Umlagerungsvorgänge erklärt und weisen somit einen Zusammenhang auf, der als Temperatur-Zeit-Analogie (TZA) bezeichnet wird. Die TZA wird vor allem im Rahmen von dynamisch-mechanischen Analysen genutzt, um die mechanischen Eigenschaften von Polymeren und FVK in einem weiten Temperatur- und Zeitbereich bei einem reduzierten Versuchsaufwand zu ermitteln. Ziel des hier beantragten Forschungsvorhabens ist die Anwendung der TZA auf Ermüdungsversuche, um darüber eine Testmethodik zur Lebensdauervorhersage von endlosfaserverstärkten Kunststoffen zu entwickeln, mit der neben frequenz- und temperaturabhängigen Lebensdauern auch Steifigkeitsdegradationskurven zuverlässig vorhergesagt werden können. Die experimentellen Untersuchungen werden auf Probekörperebene am Reinharz sowie an Laminaten durchgeführt, die aus mehreren Lagen mit teilweise unterschiedlich orientierter kontinuierlicher Glasfaserverstärkung aufgebaut sind. Durch eine geeignete Versuchsführung werden dabei der Einfluss der mechanischen Belastung sowie einer innere Erwärmung durch dissipative Effekte auf das Degradationsverhalten gesondert betrachtet und bewertet. Anhand komplementärer und standardisierten Ermüdungsversuchen, sogenannte Stützversuche, wird die Methodik validiert und die Grenzen des Lebensdauerkonzepts diskutiert. Mithilfe der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) werden über den Verlauf der Untersuchungen Absorptionsspektren der Proben bestimmt. Diese zeigen eine Abhängigkeit von den mechanischen und thermischen Beanspruchunghistorie, da unterschiedliche Belastungen unterschiedliche molekulare Bewegungs- und Umlagerungsvorgänge hervorrufen. Somit dienen die NIR-Spektren potenziell als Degradationsmaß von Kunststoffen sowie FVK. Die quantitativen Zusammenhänge zwischen einer mechanischen und/oder thermischen Belastung und den NIR-Spektren werden im Rahmen des Forschungsvorhabens im Detail untersucht. Abschließendes Ziel ist es mithilfe der NIR-Spektroskopie Aussagen über die Restlebensdauer eines FVK mit unbekannter Belastungshistorie treffen zu können. Die NIR soll damit als Methode zur Lebensdauervorhersage ohne aufwändige Steifigkeits- oder Rissdichtemessungen etabliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: NIR-Spektroskop
• Gerätegruppe: 1830 Fourier-Transform-IR-Spektrometer
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Peter Elsner (†)