Verbesserung der Schädigungsresistenz von Naturfaserverbundwerkstoffen unter Impact-Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sebastian Heimbs
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520748743

Im Kontext der Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit ist das Interesse an biobasierten Naturfaserverbundwerkstoffen für technische Anwendungen in der Luftfahrt oder der Windenergie sehr groß. Es ist jedoch bekannt, dass Naturfaserverbundwerkstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen besonders empfindlich gegenüber Impactbelastungen durch Fremdkörper sind und sich bereits bei niedrigen Aufprallenergien erhebliche Schäden entwickeln. Darüber hinaus neigen sie zu Feuchtigkeitsaufnahme und daraus resultierender Eigenschaftsminderung, was ihre allgemeine Verwendung einschränkt. Dieses Forschungsvorhaben zielt darauf ab, eine neuartige Lösung für diese beiden Nachteile zu erforschen, indem die rissstoppenden und feuchtigkeitsblockierenden Eigenschaften von duktilen oder hyperelastischen Zwischenschichten im Laminat genutzt werden, wie sie erfolgreich in Faser-Metall-Laminaten wie GLARE demonstriert wurden. Das Ziel dieses Vorschlags besteht jedoch darin, nur vollständig biobasierte und biologisch abbaubare Materialien für Fasern (z. B. Flachs), Matrix (z. B. PLA) und Zwischenschichten (z. B. biobasierte Gummischichten) auszuwählen, wodurch ein vollständig umweltfreundliches Strukturmaterial entsteht. Im Rahmen des Projekts wollen wir geeignete Materialbestandteile auswählen, Probeplatten mit unterschiedlichen Lay-ups herstellen und Impactschäden mit variablen Energien an einem Fallturmprüfstand einbringen. Abschließend wird für jedes Materialsystem die Restfestigkeit nach dem Impact unter Druck- und Zugbelastung getestet, um deren Schadensresistenz und Restfestigkeit zu quantifizieren und zu vergleichen. Die Leistungsfähigkeit der neuartigen Konfigurationen mit rissstoppender Zwischenschicht soll unter trockenen und feuchtigkeitsausgelagerten Bedingungen bewertet und mit einem konventionellen Naturfaserverbundlaminat sowie mit einem Glasfaserverbundwerkstoff als Referenz verglichen werden. Parallel zur experimentellen Testkampagne sollen numerische Simulationsmodelle des Naturfaserverbundes mit rissstoppenden Zwischenlagen entwickelt und mit den verfügbaren Testdaten validiert werden, wobei adäquate intralaminare und interlaminare Bruchgesetze genutzt werden. Ziel der Simulationen ist es, ein grundlegendes Verständnis des Schädigungsprozesses unter Stoßbelastungen zu erlangen und über die begrenzte Versuchsmatrix hinaus weitere vielversprechende Lay-up-Varianten effizient zu untersuchen und verbesserte Lösungen zu identifizieren. Dieses Projekt wird dank der experimentellen und numerischen Forschungsstudien wertvolle neue Erkenntnisse zum bestehenden Wissensbestand über Methoden zur Verbesserung der Impactresistenz von Naturfaserverbundwerkstoffen generieren und zielt darauf ab, neuartige Materialkonzepte bereitzustellen, die mit herkömmlichen Verbundwerkstoffen konkurrenzfähig sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen