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Vortrag

Charakterisierung der Faser-Matrix Haftung mittels Einzelfaser-Broutman-Test und Schallemissionsanalyse

Freitag (28.06.2019)
09:55 - 10:15 Uhr

Die Schadenstoleranz von duroplastischen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist einer der wichtigsten Faktoren für den Einsatz dieser Materialien im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie Automobiltechnik. Sie ist abhängig von den Eigenschaften der Einzelkomponenten Faser und Matrix, sowie insbesondere von der sich zwischen beiden Komponenten bildenden Interphase. Ein hoher Grad an mechanischer, physikalischer oder chemischer Wechselwirkung zwischen Faser und Matrix führt dabei zu einer Verbesserung der Schadenstoleranz des gesamten Verbundes. Die Charakterisierung der Interphase stellt hinsichtlich Probenpräparation und Prüfmethodik jedoch eine Herausforderung dar. Derzeit werden hierzu vorwiegend aufwendige, mikromechanische Einzelfaserauszugsversuche durchgeführt.


Zur vereinfachten Charakterisierung der Faser-Matrix-Haftung wurden daher spezielle Einzelfaserversuche nach Broutman herangezogen, die bisher in der Forschung wenig Beachtung fanden. Das Versuchsprinzip basiert auf einem Druckversuch, der in einem Probekörper mit eingebetteter Kohlenstofffaser durch das stark differente Querkontraktionsverhalten von Matrix und Faser eine Faser-Matrix-Ablösung in Folge einer Querkraft hervorruft. Die kritische Ablösekraft ist charakteristisch für die Faser-Matrix-Haftung.


Als Modellwerkstoff zur Untersuchung der Faser-Matrix-Wechselwirkung wurde ein duroplastisches Harzsystem gewählt. Die Interphasen-Eigenschaften zu einer Polyacrylnitril-Kohlenstofffaser wurden dabei durch eine Modifikation der Harzmatrix mittels duktiler Nanopartikel variiert.


Zur Detektion der kritischen Ablösekraft bzw. des Erstversagens im Bereich der Grenzfläche wurde die Schallemissionsanalyse (SEA) eingesetzt. Sie ermöglicht die Lokalisierung und Identifizierung von Schädigungsereignissen wie Faser-Matrix-Ablösungen durch die Analyse der daraus resultierenden akustischen Wellen im Zeit- und Frequenzbereich. Zur Validierung der Schallemissionsanalyse wurden im ersten Schritt transparente Proben getestet, deren Versagensverhalten mittels hochauflösender Kameras zugleich optisch erfasst werden konnte. Im Anschluss wurde die Methodik auf opake Matrixmaterialien übertragen.


Durch den Einzelfaser-Broutman-Versuch und den kombinierten Einsatz von mechanischer Prüfung und SEA konnte erfolgreich eine Steigerung der Faser-Matrix-Haftung der mit Nanopartikeln modifizierten Harzsysteme gegenüber dem unmodifizierten Harz nachgewiesen werden.

Sprecher/Referent:
Andreas Klingler
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW)
Weitere Autoren/Referenten:
  • Benjamin Kelkel
    Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW)
  • Dr. Martin Gurka
    Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW)
  • Dr. Bernd Wetzel
    Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW)