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- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (2)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (2)
- 5.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 6.7 Materialsynthese und Design (1)
- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.1 Baustoffe (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
- 8.5 Röntgenbildgebung (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
Paper des Monats
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Aufgrund ihres spezifischen Eigenschaftsprofils sind keramische Federn attraktiv für Spezialanwendungen in Maschinenanlagen, Metrologie und Sensortechnik. Durch Hartbearbeitung keramischer Hohlzylinder können Spiralfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt präzise gefertigt werden. Dabei kann durch gezielte Auslegung der Federgeometrie die Federkonstante über mehrere Größenordnungen variiert werden. Der Vortrag gibt einen Überblick über den Herstellungsprozess, verschiedene Eigenschaften keramischer Federn und Anwendungsbeispiele.
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.
The research presented here attempts to assess the potential for re-using carbon fibre (CF) fabrics recovered from recycling infusible acrylic thermoplastic carbon fibre reinforced polymer composites (CFRPs) in a universal manner, i.e. by combining with a wide variety of matrices to manufacture 2nd generation composite laminates by resin infusion. The 2nd generation composites have been compared in terms of bulk and interfacial properties against counteparts processed with virgin carbon fibre fabric infused with the same matrices. Generally, an increase in damping (tanδ) was observed in all 2nd generation composites, which can be attributed to a residual thin thermoplastic layer present on the recovered fibres. The interfacial adhesion of the 2nd generation Composites was investigated by shear tests and scanning electron micsoscopy, and also appears to be less influenced by the type of matrix.
This presentation is a summary of the work from the past 20 years’ development of PMC-testing at the BAM-FB 5.3 with respect to safety-relevant design of advanced light weight structures in aircraft, wind turbine and automotive applications. The talk begins with wood as an example from nature, and emphasizes that load case, fiber architectural design and the production process and quality have to go hand in hand to generate an advanced light weight structure. Since PMC-relevant basic findings of mankind span across hundreds of years, high-performance composite applications today are based more on long term experiences than on breakthrough inventions of modern days.
In the second part of the talk, future plans and projects of FB-5.3 are presented, specifically addressing H2-safety, circular economy, recycling by design and digitalization of PMC-technologies.
High-performance fibre-reinforced polymer composites are important construction materials based not only on the specific properties of the reinforcing fibres and the flexible polymer Matrix but also on the compatible properties of the composite interphase. First, oxygen-free (a-CSi:H) and oxygen-binding (a-CSiO:H) plasma nanocoatings of different mechanical and tribological properties were deposited on planar silicon dioxide substrates that closely mimic E-glass. The nanoscratch test was used to characterize the nanocoating adhesion expressed in terms of critical normal load and work of adhesion. Next, the same nanocoatings were deposited on E-glass fibres, which were used as reinforcements in the polyester composite to affect its interphase properties. The shear properties of the polymer composite were characterized by macro- and micromechanical tests, namely a short beam shear test to determine the short-beam strength and a single fibre push-out test to determine the interfacial shear strength. The results of the polymer composites showed a strong correlation between the short-beam strength and the interfacial shear strength, proving that both tests are sensitive to changes in fibre-matrix adhesion due to different surface modifications of glass fibres (GF).
Finally, a strong correlation between the shear properties of the GF/polyester composite and the adhesion of the plasma nanocoating expressed through the work of adhesion was demonstrated.
Thus, increasing the work of adhesion of plasma nanocoatings from 0.8 to 1.5 mJ·m−2 increased the short-beam strength from 23.1 to 45.2 MPa. The results confirmed that the work of adhesion is a more suitable parameter in characterising the level of nanocoating adhesion in comparison with the critical normal load.
In this work, a closed loop recycling process is investigated, which allows polymerised bulk thermoplastic matrix (Elium 150) from production waste (also referred to as recyclate) to be reused as additive in composite manufacturing by vacuum assisted resin infusion (VARI) of virgin Elium 150 monomer. It is shown that this process can save up to 7.5 wt% of virgin material usage in each processing cycle. At the same time, the thermal stability and stiffness of the composite increases with the proportion of recyclate introduced. Contemporarily, the shear and bending properties have also been observed to improve. Gel permeation chromatography (GPC) showed that the changes observed are due to an increase in molecular weight with the recyclate content. In particular, a correlation between the molecular weight and the shear properties of the composite was discovered using single fibre push-out tests.
The longitudinal and transverse strength of three unidirectional thermoplastic prepreg systems: carbon fiber/polypropylene (CF/PP), polyamide 6 (CF/PA6), and polyphenylene sulfide (CF/PPS) are studied and analytical formulas are proposed for the estimation of matrix and fiber/matrix interface properties from composites properties. Since the matrices are semi-crystalline thermoplastics, the influence of cooling rate on the strength is statistically evaluated. While the 0° tensile strength is found to be independent of the cooling rate, the 90° tensile strength is strongly influenced by the matrix type and cooling rate. The matrix modulus increases as the cooling rate is decreased; the degree of crystallinity also increases. The matrix residual stress, interfacial shear strength, and mode II interlaminar fracture toughness are also found to depend on the cooling rate, with the trends different for different matrices.
Due to the different thermal expansion of the constituent materials, cyclic thermal loading of FRP induces alternating stresses in the material at two scales: at the micro scale (level of fibre–matrix-interaction) and at the macro scale (level of the multidirectional laminate). Especially the micro scale effect is not comprehensively investigated yet. Additionally, computational investigations mostly neglect this effect due to the homogenous modelling of the composite material. As this effect is assumed to significantly contribute to the fatigue of FRP at thermal loads, the present paper suggests an experimental and numerical multiscale approach including Experiments at the different involved material scales to separately observe the effects acting at these scales. The approach also includes numerical modelling for each scale to complement the knowledge gained from the Experiments and to create a basis for the consideration of the micro effect even in macroscopic fatigue models treating homogeneous modelled composites. The main focus of the contribution is to bring the overall Approach up for discussion, rather than to present the multiscale modelling details.
BAM Report 2019
(2020)
Dieser BAM-Report erscheint zwischen zwei historischen Jubiläen: dem 30. Jahrestag des Mauerfalls am 9. November 1989 und dem der staatlichen Einheit Deutschlands am 3. Oktober 1990.
Für unser Land bedeuten beide Daten eine glückliche Zäsur. Und auch für die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die in den Jahren der Teilung ihren Sitz im westlichen Teil Berlins behalten hatte, waren sie mit guten Veränderungen verbunden: Zur BAM sind über 500 Wissenschaftler*innen des ostdeutschen Amtes für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung sowie aus den Instituten der Akademie der Wissenschaften in Berlin-Adlershof dazugekommen. Die BAM hat damals neue Tätigkeitsschwerpunkte gewonnen, vor allem auf dem Gebiet der Analytischen Chemie, und konnte sich als Teil des sich auch heute noch rasant entwickelnden Wissenschaftsstandortes Berlin-Adlershof positionieren.
Blicken wir heute auf die bewegten und bewegenden Monate vor 30 Jahren zurück, so tun wir dies aus einer deutlich veränderten Gegenwart: Aktuell beschäftigen uns große gesellschaftliche Herausforderungen wie die digitale Transformation, Energiesicherheit, demografische Veränderungen und der Klimawandel. Berlin ist inmitten dieser Herausforderungen ein Ort der Innovation und des Aufbruchs in der Mitte Europas. Dafür steht beispielhaft die Ansiedlung des Werner von Siemens Centre for Industry & Science, das in den kommenden Jahren im Nordwesten der Stadt wachsen wird. Die BAM ist auch hier Partner des Zukunftsprojekts.
Sicherheit in Technik und Chemie zu gewährleisten - unser Kernauftrag bleibt inmitten dieses beschleunigten Wandels unverändert gültig. Aber er bezieht sich heute auf die Sicherheit von Nanopartikeln, von Werkstücken aus dem 3D-Drucker oder die Speicher von Wasserstoffautos und morgen auf ganz neue Technologien. Dazu forschen wir in unseren fünf Themenfeldern Energie, Infrastruktur, Umwelt, Material und Analytical Sciences weltweit vernetzt.
Über alle Umbrüche hinweg leitet uns dabei eine Idee: Sicherheit macht Märkte. Technologischer Wandel, Kreativität und Erfinder*innengeist ermöglichen den Wohlstand unserer Gesellschaft. Zugleich aber gilt: Erst die Verlässlichkeit neuer Technologien und Materialien schafft das Vertrauen der Menschen in den Wandel und sichert so langfristig unsere Zukunft.