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Auswirkungen von interlaminaren Eigenspannungen auf die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Hybridverbundwerkstoffen

Bereits seit den frühen 1980er Jahren werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer hohen spezifischen Steifigkeit für hochbelastete Strukturbauteile im automobilen Rennsport verwendet. Dem anschließenden Einsatz in Sportwägen von Lamborghini und Ferrari ab den 1990er Jahren folgte die erstmalige Nutzung von CFK in den Serien-Elektrofahrzeugen i3 und i8 von BMW. Aufgrund der Mehrkosten im Vergleich zu metallischen Strukturen und der schlechten CO2-Bilanz von Kohlenstofffasern hat sich diese Werkstofftechnologie allerdings bis- her nur vereinzelt in weiteren Großserienfahrzeugen (z. B. BMW G11) durchgesetzt.

Eine Möglichkeit, den Nachteilen von CFK zu begegnen, ist die Verknüpfung von CFK mit kostengünstigerem, glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), um in einem hybriden Ansatz die teuren aber hochsteifen Kohlenstofffasern belastungsgerecht in einem Laminat bzw. Bauteil mit GFK zu kombinieren. Interlaminare Eigenspannungen (iE), die aus dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der Verstärkungsfasern resultieren, müssen bei diesem Ansatz besonders beachtet werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, die iE in UD Tape basierten PA6 Hybridlaminaten zu quantifizieren sowie deren Einfluss auf die dynamischen 3-Punkt Biegeeigenschaften zu untersuchen. Zudem wird der Einfluss einer Wärmebehandlung auf die iE und die mechanischen Kennwerte ermittelt. Ziel ist es ferner, wissenschaftliche Grundlagen für den industriellen Einsatz dieser Werkstofftechnologie zu erarbeiten. Infolgedessen werden eine Kostenreduktion von 30 % und eine Verbesserung der CO2-Bilanz um 50 % gegenüber reinem CFK angestrebt.

Die Messbarkeit der iE mittels der analytischen Bohrlochmethode wird im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen, womit Korrelationen zwischen den vorherrschenden Spannungen und den mechanischen Eigenschaften ermöglicht werden. Die iE in den Hybridlaminaten führen zur vorzeitigen Rissbildung in der Grenzfläche zwischen Glas- und Kohlenstofffaserlagen und folgerichtig zu versagensinitiierenden Delaminationen. Durch die Materialermüdung unter dynamischer Last reduziert sich die maximal ertragbare Spannung von Hybridlaminaten aufbauunabhängig um 21% bis 25 % gegenüber einer statischen Biegebeanspruchung. Beim CF Monomaterialaufbau liegt dieser Rückgang bei 18 %.

Die Analyse der dynamischen Biegeeigenschaften bei einer Temperatur von +90 °C zeigt, dass der Einfluss der iE im Material auf die mechanischen Eigenschaften durch die erhöhte Umge- bungstemperatur reduziert wird. Bei dieser erhöhten Umgebungstemperatur versagen Hybridlaminate unter einer dynamischen 3-Punkt Biegebelastung bei Spannungswerten, die bei über 95 % der statischen Biegefestigkeit liegen. Während allerdings bei RT ein positiver Hybrideffekt (HE) von 3 % für ein Sandwich-Hybridlaminat festgestellt werden kann, fällt dieser Kennwert bei +90 °C auf -28 %. Hintergrund ist ein versagensauslösendes vorzeitiges Ausknicken der Koh- lenstofffasern auf der Druckseite und ein daraus folgendes katastrophales Versagen der Probe.

Weiterhin wurde der Effekt einer mehrstündigen Wärmebehandlung untersucht. Durch diese können die iE eliminiert werden, was eine Verbesserung der dynamischen Biegefestigkeit nach sich zieht. Ein alternierendes Hybridlaminat erreicht damit bei RT über +90 % der dynamischen Festigkeit eines CFK Laminates bei 35 % geringeren Kosten. Der dynamische HE der getemperten Hybridlaminate beläuft sich dabei auf 18 %, gegenüber -4 % im unbehandelten Zustand.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Michael Kropka

Michael Kropka
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Universität Bayreuth

Informationen

Freie Schlagwörter: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, CO2 Fußabdruck, Hybridlaminate, , glasfaserverstärkte Kunststoffe, lastgerecht, interlaminare Eigenspannungen, Polyamid 6, Wärmebehandlung, Bohrlochmethode, Ermüdungseigenschaften, dynamische 3-Punkt Biegung, Lagenaufbau, Hybrideffekt
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt, Professor Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Erscheinungsjahr: 2020
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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