TY - THES

T1 - Bestimmung ausgewählter mechanischer Eigenschaften sowie der monotonen und zyklischen interlaminaren Risszähigkeit von gewickelten und geflochtenen Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen

AU - Schillfahrt, Christian

N1 - gesperrt bis 21-11-2016

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Gegenüber der aufwendigen und kostenintensiven manuellen Fertigung von Faserverbundbauteilen ermöglichen weitgehend automatisierte Verarbeitungs-verfahren massive Einsparungen bei Fertigungszeit und -kosten. Hierbei bietet insbesondere die Flechttechnik ein großes Potential zur effizienten und wirtschaftlichen Herstellung endkonturnaher textiler Strukturen. Allerdings stehen derzeit bedingt durch das komplexe Strukturverhalten dieser Faserverbundwerkstoffe nur sehr vereinfachte Berechnungsmethoden für die praxisnahe Auslegung von Geflechtbauteilen zur Verfügung. In Hinblick auf eine werkstoffoptimierte Auslegung von Geflechtbauteilen sind deshalb neue Berechnungsverfahren unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle von Bedeutung. Die Anwendung dieser Methode setzt jedoch die Kenntnis einer Reihe von mechanischen Werkstoffkenndaten voraus, die als Eingangsparameter für die Berechnung von Geflechten auf Meso-Ebene dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Ermittlung der erforderlichen mechanischen Materialkennwerte geflochtene und gewickelte Laminate mit unidirektionalem Aufbau aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz hergestellt. Um den Einfluss der Faserschädigung beim Flechtprozess auf die Kennwerte zu simulieren, wurden in einer zusätzlichen Versuchsreihe die Rovings vor dem Wickeln auf Klöppel umgespult. Die mechanischen Eigenschaften der Prüfkörper wurden durch Zug- und Druckversuche in und normal zur Faserrichtung ermittelt. Zur Untersuchung des nicht-linearen Verhaltens des Verbundes wurden weiters Be- und Entlastungsversuche unter Druck quer zur Faser durchgeführt. Abschließend wurde der Einfluss der Faserschädigung auf die Delaminationseigenschaften der Laminate mittels bruchmechanischer Methoden unter monotoner und zyklischer Last untersucht. Die monotonen Zug- und Druckversuche ergaben bei Belastung in Faserrichtung für die gewickelten Laminate ähnliche Werte für den Modul und die Festigkeiten, während die Kennwerte für die geflochtenen Prüfkörper auf einem niedrigeren Niveau liegen. Die Moduln der Laminate bei Belastung normal zur Faserrichtung zeigten dagegen keine signifikanten Unterschiede. Hinsichtlich der Festigkeiten führte ein zur Herstellung der Geflechte eingebrachter Thermoplastfaden in Querzugrichtung zu erhöhten Kennwerten. Bei den bruchmechanischen Versuchen führte der in den geflochtenen Prüfkörpern vorhandene Thermoplastfaden zu einem ausgeprägten diskontinuierlichem Risswachstum (Rissstoppeffekte), was sich im Vergleich zu den gewickelten Laminaten in deutlich höheren Risszähigkeitswerten widerspiegelt. Aufgrund der zusätzlichen Umlenkung der Fasern im Wickelprozess über einen vorgeschalteten Klöppel liegen die bruchmechanischen Kennwerte dieser Laminate, verglichen mit denen der konventionell gewickelten Platten, auf einem höheren Niveau.

AB - Gegenüber der aufwendigen und kostenintensiven manuellen Fertigung von Faserverbundbauteilen ermöglichen weitgehend automatisierte Verarbeitungs-verfahren massive Einsparungen bei Fertigungszeit und -kosten. Hierbei bietet insbesondere die Flechttechnik ein großes Potential zur effizienten und wirtschaftlichen Herstellung endkonturnaher textiler Strukturen. Allerdings stehen derzeit bedingt durch das komplexe Strukturverhalten dieser Faserverbundwerkstoffe nur sehr vereinfachte Berechnungsmethoden für die praxisnahe Auslegung von Geflechtbauteilen zur Verfügung. In Hinblick auf eine werkstoffoptimierte Auslegung von Geflechtbauteilen sind deshalb neue Berechnungsverfahren unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle von Bedeutung. Die Anwendung dieser Methode setzt jedoch die Kenntnis einer Reihe von mechanischen Werkstoffkenndaten voraus, die als Eingangsparameter für die Berechnung von Geflechten auf Meso-Ebene dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Ermittlung der erforderlichen mechanischen Materialkennwerte geflochtene und gewickelte Laminate mit unidirektionalem Aufbau aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz hergestellt. Um den Einfluss der Faserschädigung beim Flechtprozess auf die Kennwerte zu simulieren, wurden in einer zusätzlichen Versuchsreihe die Rovings vor dem Wickeln auf Klöppel umgespult. Die mechanischen Eigenschaften der Prüfkörper wurden durch Zug- und Druckversuche in und normal zur Faserrichtung ermittelt. Zur Untersuchung des nicht-linearen Verhaltens des Verbundes wurden weiters Be- und Entlastungsversuche unter Druck quer zur Faser durchgeführt. Abschließend wurde der Einfluss der Faserschädigung auf die Delaminationseigenschaften der Laminate mittels bruchmechanischer Methoden unter monotoner und zyklischer Last untersucht. Die monotonen Zug- und Druckversuche ergaben bei Belastung in Faserrichtung für die gewickelten Laminate ähnliche Werte für den Modul und die Festigkeiten, während die Kennwerte für die geflochtenen Prüfkörper auf einem niedrigeren Niveau liegen. Die Moduln der Laminate bei Belastung normal zur Faserrichtung zeigten dagegen keine signifikanten Unterschiede. Hinsichtlich der Festigkeiten führte ein zur Herstellung der Geflechte eingebrachter Thermoplastfaden in Querzugrichtung zu erhöhten Kennwerten. Bei den bruchmechanischen Versuchen führte der in den geflochtenen Prüfkörpern vorhandene Thermoplastfaden zu einem ausgeprägten diskontinuierlichem Risswachstum (Rissstoppeffekte), was sich im Vergleich zu den gewickelten Laminaten in deutlich höheren Risszähigkeitswerten widerspiegelt. Aufgrund der zusätzlichen Umlenkung der Fasern im Wickelprozess über einen vorgeschalteten Klöppel liegen die bruchmechanischen Kennwerte dieser Laminate, verglichen mit denen der konventionell gewickelten Platten, auf einem höheren Niveau.

KW - carbon fibre composites

KW - unidirectional laminates

KW - mechanical properties

KW - interlaminar fracture toughness

KW - winding

KW - braiding

KW - bobbin carrier

KW - fibre damage

KW - textile preforms

KW - tensile test

KW - compression test

KW - nonlinear properties

KW - delamination

KW - Flechten

KW - Geflechte

KW - Wickeln

KW - Faserschädigung

KW - Klöppel

KW - Verbundwerkstoffe

KW - Faserverbunde

KW - textile Halbzeuge

KW - mechanische Eigenschaften

KW - Zugversuche

KW - Druckversuche

KW - interlaminare Risszähigkeit

KW - Delaminationsverhalten

KW - unidirektionale Laminate

KW - nichtlineares Verhalten

M3 - Masterarbeit

ER -