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Ausgehend von einer kurzen Einführung in die Problematik von Dauerschwingversuchen an Polymerwerkstoffen werden Prüfergebnisse aus der Umlaufbiegung an Hohlzylinderproben für eine breite Palette von Thermoplasten und ihren Verbunden vorgestellt. Die Ergebnisse werden hinsichtlich des Einflusses der Glasfaserverstärkung sowie der Kerbwirkung von Bohrungen diskutiert.
Mode I fracture toughness tests on Double Cantilever Beam specimens from carbon-fibre and glassfibre reinforced polymer-matrix composites were monitored with Acoustic Emission (AE) and loaddisplacement traces and delamination lengths were recorded. AE characterized the kinetics of delamination propagation. The progress of AE activity and AE intensity with load and AE source location plots are used to determine the delamination onset on the microscopic and macroscopic scale.
Energy dissipating processes initiated in the damage zone near the delamination tip. Low Interface adhesion results in lower debonding stresses and larger damage zones compared with composites with good adhesion. Time-dependent linear location of AE sources yields the average length of the damage zone and the average speed of delamination propagation. Parameter analysis has been used empirically for identifying AE source mechanisms. A new Classification Software for transient AE waveforms permits identification of the source mechanism of individual AE signals. A micro-mechanical fracture model based on the AE results describes the contributions of microscopic matrix and Interface mechanisms to the interlaminar fracture energy.
Acoustic emission characteristics of micro-failure processes in polymer blends and composites
(2000)
Acoustic emission (AE) characteristics of micro-failure processes in HDPE/PP blends with and without compatibilizer, single-fibre composites (glass/epoxy, carbon/epoxy, glass/polycarbonate) and unidirectionally reinforced multi-fibre composites (glass/polypropylene) were studied. For blends, the number and the elastic fracture energy release of micro-failure processes are theoretically approximated and correlated with the number of AE signals and the AE energy. A qualitative correlation of the mechanical energy released from fibre/matrix debonding and fibre-fracture processes in single-fibre pull-out experiments with the measured AE energy is demonstrated. For the single-fibre fragmentation of glass fibres and carbon fibres, a quantitative approximation of the AE amplitudes at locations of the fragmentation sources is achieved. A new method for the selection of single transient acoustic emissions and the classification of failure mechanisms in composites is introduced. Selected emissions are classified into matrix cracking, fibre breakage and interface processes (fibre/matrix debonding or fibre pull-out) from their total power in defined frequency intervals of the spectral power density. A fracture-mechanics investigation of the delamination behaviour of unidirectional composites accompanied by AE examinations is discussed. The extension of the damage zone around the crack tip is quantified by the location of AE events and compared with the theoretically approximated dimensions. The size of the damage zone is used for theoretical calculations of the mechanical energy release from micro-failure processes. A correlation of the AE energy-release rates with the mechanical energy-release rates from participated failure mechanisms like matrix cacking, fibre/matrix debonding and fibre breakage is presented.
An Druckbehältern aus CFK-Wickellaminaten wurden unterschiedliche Arten von mechanischen Beschädigungen (Schlagschaden oder Kerben) eingebracht und wiederkehrende Druckprüfungen mit begleitender AT nach einer unterschiedlichen Anzahl von Innendruckzyklierungen durchgeführt. Zu Vergleichszwecken wurde ein Druckbehälter ohne äußere Beschädigung - die Erzeugung von Mikroschädigungen resultierte allein aus der Druckzyklierung - mitgeprüft.
Mit diesen Versuchen soll der Fragestellung nachgegangen werden, welche Arten von Beschädigungen bei periodischen Inspektionen durch Innendruckprüfung mittels AT nachweisbar sind und wie sich diese im druckabhängigen AE-Verlauf äußern.
Die AT-Ergebnisse der Druckprüfungen werden an Beispielen vorgestellt.
Als Ergebnis dieser Untersuchungen werden mögliche qualitative Kriterien zur Erkennung von "starken" Beschädigungen an gewickelten Druckbehältern aus Polymermatrix-Verbunden im Vergleich zu "unbeschädigten" Behältern anhand von AE-Merkmalen aus der "wiederkehrenden" Druckprüfung diskutiert.
Im Rahmen von nationalen und europäischen Forschungsvorhaben wurde die Schallemissionsprüfung (SEP) in den letzten Jahren an der BAM zur Prüfung und Zustandsbeurteilung von Composite-Druckbehältern eingesetzt und weiterentwi-ckelt.
Das aktiv arbeitende SEP-Verfahren detektiert bereits frühe, erste Schädigungen mit geringer SE-Intensität, z.B. durch Zwischenfaserbruchversagen. Später einset-zende Faserbrüche oder Delaminationsvorgänge erzeugen sehr starke Schallemissi-onen.
Im Vortrag werden anhand von Beispielen die unterschiedlichen Zielstellungen der SEP bei der Behälterprüfung dargestellt:
- Design-Optimierung von Behälterstrukturen durch Analyse der Schädigungs- entwicklung bei Berstversuchen
- Qualitätskontrolle von Composite-Druckbehältern beim Autofrettageprozess (Fertigung) oder bei der Erstdruckprüfung (Abnahmeprüfung)
- Nachweis von Beschädigungen im Betrieb (Ermüdungsrisse, Impacts, Delami- nationen, Kerben etc.) durch eine Wiederkehrende Druckprüfung
- Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring) zum Online-Nachweis von kritischen Ermüdungszuständen oder aktuellen Beschädigungen.
Das Zukunftspotenzial des Schallemissionsverfahrens besteht vor allem in seinem Einsatz bei der Prüfung und Zustandsüberwachung von Composite-Hochdruck-behältern für die 700 bar-Wasserstofftechnologie aber auch für Faserverbundbau-teile in anderen sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie Windkraftanlagen, Luft- und Raumfahrt.