TY - JOUR A1 - Ghafafian, Carineh A1 - Trappe, Volker T1 - Prolonging structural integrity—Fatigue of scarf repairs for wind turbine blade shell applications N2 - The influence of scarf repair variables on the mechanical properties of glass fiber reinforced polymer sandwich structures is examined for the application of wind turbine blade shell repairs. Reference shell specimens are tested under fully-reversed cyclic loading to understand the fatigue behavior of the sub-component structure within a range of in-service loads, to which shell specimens with a scarf joint repair are compared. A fatiguesuperior repair material is shown to improve the fatigue behavior of the repaired structures compared to the reference specimens. In separating layup and geometry, damage development is examined on the subcomponent scale for a structural understanding of a scarf repair using in-situ digital image correlation-based strain field measurements as well as passive thermography. Within scarf repair variables, the geometry is shown to play a larger role than layup in the fatigue performance of the repaired structure. KW - Polymer–matrix composites KW - Fatigue KW - Joints/joining PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107419 SN - 1359-835X VL - 167 SP - 1 EP - 11 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-56942 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Guerra, E. S. S. A1 - Silva, B. L. A1 - Melo, J. D. D. A1 - Kalinka, Gerhard A1 - Barbosa, A. P. C. T1 - Microscale evaluation of epoxy matrix composites containing thermoplastic healing agent N2 - Among the strategies to produce healable thermosetting systems is their modification by the addition of thermoplastic particles. This work investigates the influence of poly(ethylene-co-methacrylic acid) (EMAA) on fibermatrix interfacial properties of a glass fiber reinforced epoxy matrix composite. Epoxy-EMAA interactions were evaluated using differential scanning calorimetry (DSC) and infrared spectroscopy. The effects of EMAA on the epoxy network formation were evidenced by changes in glass transition temperature, cure kinetics and alteration of chemical groups during cure. Interfacial shear strength (IFSS) measurements obtained by single fiber pull-out tests indicate similar interfacial properties for pure and EMAA modified epoxy. Additionally, the potential for self-healing ability of an EMAA modified epoxy was demonstrated. However, IFSS after a healing cycle for the EMAA modified epoxy was lower as compared to the pure epoxy, because of the lower fiber-EMAA interfacial shear strength. So, thermoplastic healing agents has not only to fill cracks in the matrix material, but also have to be optimized regarding its interface properties to the reinforcing fibers. KW - Interfacial strength KW - Fiber/matrix bond KW - Self-healing KW - Polymer-matrix composites (PMC) PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109843 SN - 0266-3538 VL - 232 SP - 1 EP - 9 PB - Elsevier Ltd. CY - Niederlande AN - OPUS4-56379 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Optische Beobachtungen der Faser-Matrix-Trennung im Pull-out-Versuch N2 - Der Vortrag behandelt Rissentstehung und Ausbreitung an Faser-Matrix-Interfaces, untersucht mit dem optischen Mikroskop. T2 - Composites United, CU-Arbeitsgruppe/n Faser-Matrix-Haftung & Matrices CY - Online meeting DA - 02.12.2021 KW - Faser KW - Matrix KW - Pull-out KW - Interface PY - 2021 AN - OPUS4-53968 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Testing the fibre matrix interface of short glass fibre reinforced PMCs with using the push out technique N2 - With this presentation, the push-out technique is explained. The focus of the experimental work is on the characterization of the fiber-matrix interface of short fiber reinforced composites. The reinforcing component was glass fibers and the matrix polymer was PA6.6 and PPA. It is demonstrated for the first time that the push-out technique ca be applied on injection molded short fiber PMC and is sensitive to the mechanical interface properties. Further studies are planned on the influence of multiple processing, the temperature and humidity. T2 - Composirtes United Workshop „Fiber Matrix Interphases“ CY - Online meeting DA - 09.11.2023 KW - Polymer Matrix Composite KW - Glass Fibres KW - PA6.6 KW - PPA KW - Push-out Test KW - Interface Strength PY - 2023 AN - OPUS4-59053 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Moderne Faserverbundwerkstoffe – Reparatur und Recycling N2 - Der Vortrag beschreibt Aktivitäten der BAM zur Reparatur von Rotorblättern von Windkraftanlagen sowie ein Konzept zum Recycling by Design für faserverstärkte Kunststoffe T2 - Reparaturgerechtes Produktdesign CY - Potsdam, Germany DA - 06.11.2024 KW - GFRP KW - Rotorblätter KW - Reparatur KW - Recycling KW - Composites PY - 2024 AN - OPUS4-61533 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Recycling von Faserverbundwerkstoffen N2 - Der Vortrag beschreibt Aktivitäten der BAM zum Recycling von carbonfaser-verstärkten Verbundwerkstoffen. T2 - Fachdialog Recycling von Windenergieanlagen CY - Berlin, Germany DA - 23.09.2024 KW - Polymer Matrix Composite KW - Carbon Fibres KW - Recycling KW - Pyrolysis KW - Recycling by Design PY - 2024 AN - OPUS4-61536 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Krauklis, A. E. A1 - Starovka, O. A1 - Gibhardt, D. A1 - Aouissi, H. A. A1 - Burlakovs, J. A1 - Sabalina, A. A1 - Fiedler, Bodo A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Reversible and irreversible effects on the epoxy GFRP fiber-matrix interphase due to hydrothermal aging N2 - Epoxy R-Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) composite plates were hydrothermally aged at 60 ◦C for 23, 75, and 133 days. The water content reached 0.97 wt%, 1.45 wt% and 1.63 wt%, respectively. The studied GFRP matrix was inert to hydrolysis or chain scission, allowing for investigation of irreversible changes in the fiber-matrix interphase due to hydrothermal aging upon re-drying. During each period, a subset of the specimens was removed from the water bath and dried in a chamber. The weight loss upon drying was explained with epoxy leaching (impurities), sizing-rich interphase hydrolysis, glass fiber surface hydrolysis, accumulated degradation products escaping, and water changing state from bound to free. The influence of hydrothermal aging on the fiber-matrix interfacial properties was investigated. Lower interfacial strength of hydrothermally aged (wet) samples was attributed to plasticization of the epoxy, plasticization and degradation of the sizing-rich interphase (including formation of hydrolytic flaws), and hydrolytic degradation of the glass fiber surface. The kinetics of epoxy-compatible epoxysilane W2020 sizing-rich interphase hydrolysis provided an estimate of ca. 1.49%, 4.80%, and 8.49% of the total composite interphase degraded after 23, 75, and 133 days, respectively. At these conditions, the interface lost 39%, 48%, and 51% of its strength. Upon re-drying the specimens, a significant part of the interfacial strength was regained. Furthermore, an upward trend was observed, being 13%, 10% and 3% strength, respectively; thus, indicating a possibility of partial recovery of properties. KW - GFRP KW - Hydrothermal Ageging KW - Interphase KW - Water Diffusion KW - Desorption KW - Interfacial Strength PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-581554 DO - https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2023.100395 SN - 2666-6820 VL - 12 SP - 1 EP - 9 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam, Niederlande AN - OPUS4-58155 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kraus, David T1 - Ermüdungsverhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter thermomechanischer Beanspruchung N2 - Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert. Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann. Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich. N2 - Due to their superior lightweight properties, fiber reinforced polymer (FRP) materials are well established in various fields, such as sports equipment, aerospace or wind energy structures. These structures are not only subjected to mechanical loads, but also to a broad spectrum of thermal environments. However, the impact of temperature on the fatigue life of thermomechanically loaded FRP structures is barely investigated to-date. In the scope of this work, the influence of temperatures in a range of 213 K to 343 K on a glass fiber reinforced epoxy polymer is experimentally examined. An extensive thermo-mechanical characterization of the static properties of the material is performed. The neat resin and Fiber material are investigated, as well as the composite. In addition, the impact of thermal loads on the damage evolution under quasi-static as well as cyclic fatigue loading is investigated for different multi-angle laminates. Based on the experimental data, a correlation is shown between damage and matrix effort of the unidirectional layer. The matrix effort is calculated according to a micromechanical model considering thermal residual stresses. Particularly under transverse loading, the damage Evolution can be predicted as a function of the dilatational strain energy of the matrix. Using the concept of the matrix effort presented in this work, a prediction of the fatigue life of the investigated material at different ambient temperature conditions can be performed. T3 - BAM Dissertationsreihe - 169 KW - Ermüdung KW - Faser-Kunststoff-Verbund KW - GFK KW - Schädigung KW - Thermomechanik KW - Fatigue KW - Composite KW - Glas fibre reinforced polymer KW - Damage KW - Thermomechanics PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-530253 SN - 1613-4249 VL - 169 SP - 1 EP - 164 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-53025 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kraus, David A1 - Trappe, Volker T1 - Transverse damage in glass fiber reinforced polymer under thermo-mechanical loading N2 - In this study, the thermomechanical damage behavior of a glass fiber reinforced polymer material is investigated. The coefficients of thermal expansion of the composite as well as the matrix are measured in a wide temperature range. Quasi-static experiments with neat resin, unidirectional and multidirectional laminates are performed as well as fatigue experiments in a temperature range from 213 K to 343 K. This study focusses on the matrix damage due to fiber-parallel loading. A correlation between matrix effort, the dilatational strain energy of the matrix and the damage state of the specimen is demonstrated. It is shown that a fatigue life assessment can be performed with the aid of a temperature-independent master fatigue curve. KW - Composite KW - Glass fiber reinforced polymer KW - Thermo-mechanics KW - Fatigue KW - Damage KW - Temperature PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-527462 DO - https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100147 SN - 2666-6820 VL - 5 SP - 100147 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-52746 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kupsch, Andreas T1 - Rissentwicklung in CFK-Laminaten nachgewiesen durch in situ Röntgen-Refraktion N2 - In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt. T2 - DACH-Jahrestagung 2023 CY - Friedrichshafen, Germany DA - 15.05.2023 KW - Röntgen-Refraktion KW - Synchrotronstrahlung KW - CFK KW - Rissentwicklung PY - 2023 AN - OPUS4-57622 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -