Quantitative Korrelation der mikro- und makromechanischen Kennwerte endlosfaserverstärkter Kunststoffe unter faserparalleler Zugbelastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471651330

Unidirektionale endlosfaserverstärkte Kunststoffe (UD-FVK) besitzen unter faserparalleler Zugbelastung eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit sowie ein gutes Energieabsorptionsvermögen und Ermüdungsverhalten. Aus diesem Grunde hat das Verständnis über die Eigenschaften von FVK unter faserparalleler Zugbelastung einen hohen Stellenwert. Bedingt durch den mikromechanisch heterogenen Aufbau ist die Betrachtung der Verbundeigenschaften jedoch komplexer als bei den metallischen Werkstoffen und bedarf eines tiefergreifenden Verständnisses des Schädigungsverhaltens und der zugrundeliegenden Mechanismen. Der Literatur nach gibt es bei kohlenstofffaser- oder glasfaserverstärkten duroplastischen Kunststoffen Schädigungsmechanismen z. B. Faserbruch, Faserablösung und Matrixschädigung, welche die Spannungsverteilung im Verbund verändern. Daher bestehen zwischen den Mechanismen komplexe Wechselwirkungen. In statischen und zyklischen Lastfällen werden diese mikromechanischen Mechanismen durch die Faser- und Matrixtypen sowie die Eigenschaften der Faser/Matrix-Grenzfläche unterschiedlich beeinflusst, sodass es für diese Lastfälle und deren Anforderungen jeweils optimale Faser/Matrix-Kombination gibt. In der Literatur finden sich zwar Untersuchungen zu einzelnen Mechanismen und Einflussfaktoren, jedoch sind keine Studien über die Wechselwirkung aller wesentlichen Faktoren mit einheitlichen Randbedingungen zu finden. Es ist daher nicht vollständig verstanden, wie die Konstituenteneigenschaften auf die Schädigungen und die makromechanischen Kennwerte, wie Zugfestigkeit, und Lebensdauer beeinflussen. Zur Untersuchung dieses Themenkomplexes wurden verschiedene mikromechanische Modelle entwickelt, wobei das dreidimensionale Shear-Lag-Modell (SLM) das größte Potenzial bietet. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Weiterentwicklung des Shear-Lag-Modells für UD-FVK für unterschiedliche Lastfälle (Quasi-statische Last und Ermüdung) und die Bewertung der Anwendbarkeit des Modells für unterschiedliche Faser/Matrix-Kombinationen. Ein weiteres Ziel ist die Vorhersage der mechanischen Kennwerte durch Simulation, sodass die Performance von UD-FVK durch Materialauswahl anwendungsspezifisch optimiert werden kann.Zum Erreichen des Ziels wird das Shear-Lag-Modell für diese Lastfälle weiterentwickelt. Gleichzeitig werden die mikromechanischen Eingangsparameter für die Modellierung und die makromechanischen Kennwerte von verschiedenen Faser/Matrix-Kombinationen für die Validierung experimentell charakterisiert. Daraufhin soll eine Analyse der Vorhersagegüte des Modells erfolgen, um zu bewerten, für welche Faser/Matrix-Kombinationen und welche Lastfälle das Modell geeignet ist. Als direktes Ergebnis des beantragten Vorhabens entsteht ein validiertes Modell zur Vorhersage der mechanischen Kennwerte. Des Weiteren wird das Werkstoffverständnis über die Wechselwirkung zwischen den Einflussfaktoren erweitert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen