Optimized experimental methods for the description of the delamination and failure behavior of high performance composites and joints

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Delaminationsverhalten von endlos faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV) und mit der Vermeidung von Delaminationen in FKV durch das gezielte Einbringen von Verstärkungen in die Dickenrichtung. Delaminationen treten in FKV aufgrund deren Schichtstruktur und der geringen interlaminaren Festigkeiten auf. Obwohl Delamination in FKV ein bekanntes und relativ gut erforschtes Problem ist, existieren nach wie vor keine standardisierten Prüfmethoden für die Bestimmung des Delaminationsverhaltens von FKV unter Ermüdungslasten. Deshalb befasst sich ein Teil dieser Dissertation mit zyklischen Delaminationsversuche und der Organisation von Ringversuchen, um das Potential von Delaminationsversuchen für eine Standardisierung zu evaluieren. Internationale Versuchskampagnen wurden innerhalb der „American Society for Testing and Materials“ (ASTM), Subkommitee D30.06, und der „European Structural Integrity Society“, technisches Komitee 4 (ESIS TC4), organisiert und durchgeführt. Delaminationsversuche an vier verschiedenen kohlenstoff-faserverstärkten Epoxidharzen, einem glasfaserverstärkten Epoxidharz und einem kohlenstofffaserverstärkten Polyetheretherketon zeigten die bei diesen Versuchen auftretenden Streuungen. Es offenbarten sich dabei die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Versuche, vor allem hinsichtlich der Bestimmung des Schwellenwertes und der Anwendbarkeit der Ergebnisse klassischer Darstellungen des Risswachstumsverhaltens auf Basis des Gesetzes von Paris im Design von FKV. Die Ringversuche innerhalb ESIS TC4 und ASTM D30.06 zeigten die Notwendigkeit, neue Auswerteroutinen für zyklische Delaminationsversuche zu finden, um die Streuung der Risswachstumskurven zu verringern, die hohen Steigungswerte der Risswachstumskurven zu verringern und Schwellenwerte besser erfassen zu können. Diesen Punkten wird in dieser Dissertation mit einer neuen Art der Datendarstellung begegnet. Die Darstellung der Energiefreisetzungsraten auf Basis eines modifizierten Hartman-Schijve Ansatzes lieferte Risswachstumskurven mit Steigungswerten von etwa zwei. Solch niedrige Steigungswerte können Fehler bei der Vorhersage von Risswachstumsraten verringern und könnten so zur Verwendung dieser Daten im Design von FKV Strukturen führen. Auf Basis der Erfahrungen, die in den internationalen Ringversuchen gemacht wurden, wurden zyklische Delaminationsversuche angewendet, um den Einfluss verschiedener Preformingprozesse auf das Delaminationsverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzen zu untersuchen. Das Risswachstum wurde dabei signifikant durch die Verarbeitungsvorgeschichte beeinflusst und es war möglich, diese Unterschiede mit zyklischen Delaminationsversuchen zu erfassen. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Unterdrückung von Delaminationen in FKV-FKV Verbindungen. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Verbindungstechnik für FKV untersucht. Diese basiert auf kleinen metallischen Stiften, die mit dem FKV eine formschlüssige Verbindung eingehen. Diese metallischen Stifte werden mittels „Cold Metal Transfer“ (CMT) Schweißen hergestellt. Dabei werden die „CMT Pins“ auf dünne, metallische Bleche aufgeschweißt, welche als Trägerelement und Positionierungshilfe im Fügeprozess dienen. Das Ziel bei der Verwendung der CMT Pins liegt, neben der Unterdrückung/Verzögerung von Delaminationen durch den Formschluss, in der Erhöhung der Schadenstoleranz durch die plastische Deformation des Metalls. In einem ersten Versuchsdurchlauf wurde das Versagensverhalten von co-gehärteten FKV-FKV Verbindungen experimentell und numerisch untersucht. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden bevorzugte Positionen für translaminare Verstärkungen in FKV-FKV Verbindungen ermittelt. Darauf folgende detaillierte Untersuchungen an translaminar verstärkten FKV-FKV Verbindungen mündeten in einem Versagensmodell für CMT-Pin verstärkte Verbindungen.

Details

Titel in ÜbersetzungOptimierte experimentelle Methoden zur Beschreibung des Delaminations- und Versagensverhaltens von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen und deren Verbindungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2014