5.3 Polymere Verbundwerkstoffe
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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.
The dataset provided in this repository comprises data obtained from a series of full-notch creep tests (FNCT) performed on selected high-density polyethylene (PE-HD) materials (for further details, see section 1 Materials in this document) in accordance with the corresponding standard ISO 16770.
The FNCT is one of the mechanical testing procedures used to characterize polymer materials with respect to their environmental stress cracking (ESC) behavior. It is widely applied for PE-HD materials, that are predominantly used for pipe and container applications. It is based on the determination of the time to failure for a test specimen under constant mechanical load in a well-defined and temperature controlled liquid environment. The test device used here also allows for continuous monitoring of applied force, specimen elongation and temperature.
Lightweighting as a cross-cutting technology contributes significantly to achieve the European Green Deal goals. Based on, but not limited to, advanced materials and production technologies, the demand for natural resources and CO2 emmissions are reduced by lightweighting during production, as well as use phase. Therefore, lightweighting is a crucial transformation technology assisting in decoupling economic growth from resource consumption. In this manner, lightweighting contributes significantly as a key technology of relevance for many industrial sectors such as energy, mobility, and infrastructure, towards resource efficiency, climate action and economic strength, as well as a resilient Europe. To strengthen international partnerships, addressing global issues of today at the edge of science with high performance lightweight material based on carbon fibers, an overview about the BAM expertise in carbon fiber reinforced materials is given.
Im statistischen Mittel steht eine Windkraftanlage (WKA) in Deutschland alle 6 Jahre wegen eines Schadens an den Rotorblättern und verursacht Kosten von 20k€-40k€ infolge Ertragsausfall und Reparaturkosten. Bei über 30.000 WKA in Deutschland verursacht dies jährlichen Kosten von 100-200 Mio. €. Zu 70% sind die Ursachen Fertigungsfehler. Diesem Themenkomplex widmet sich FB-5.3 in Kooperation mit FBs der Zerstörungsfreien Prüfung (Abt. 8) schon seit Jahren.
Im aktuellen Projekt geht es um einen vorzeitigen Verschleiß der Rotorblätter infolge der Verwendung gealterter Glasfaser-Rovings. (GF). Die Entwicklung moderner Windkraftanlagen hatte in Europa seinen Ursprung in den 90er Jahren. OEMs und GF-Hersteller waren dicht beisammen. Die Globalisierung des Marktes führt heute zu einer weltweiten Verschiffung der GF in feucht-warmen Containern. Je nach Beschaffenheit (Chemie) der Schlichten (Oberflächenbehandlung) von GF können diese stark altern (Hydrolyse-Effekte) und die Festigkeit kann im Bauteil um bis zu 50% abgemindert sein.
In einer Kooperation mit der Rotorblattallianz, einem Zusammenschluss der OEMs, Halbzeugherstellern und Forschungsinstituten, wurden schon vor 5 Jahren in einem Forschungsprojekt (FB-5.3; VH 5538) die chemischen Mechanismen der Alterung exemplarisch für eine Glasfaser-Roving-Type aufgeklärt. Im aktuellen Projekt (FB-5.3; VH 5304) wird ein beschleunigtes Alterungsverfahren (erhöhte Temperatur und Feuchte) am Roving im un-impregnierten Zustand entwickelt und die Festigkeit nachfolgend nach Einbettung in eine Epoxid-Harz-Matrix bestimmt. Je nach Alterungszustand zeigt sich eine Abnahme der Zwischenfaserbruchfestigkeit von bis zu 50%. Nicht alle Glasfaser-Roving-Typen zeigen diesen Effekt. Es ist gelungen für OEMs und Halbzeughersteller ein handhabbares Verfahren zur innerbetrieblichen Qualitätssicherung zu entwickeln, da die wenigsten Firmen über komplexe Analyseverfahren, wie an der BAM, verfügen.
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.
Wind turbine rotor blades are produced as aerodynamic, three-dimensionally formed sandwich shell structures using mainly glass fiber reinforced plastics (GFRP). The GFRP used today have the potential to withstand the harsh operating conditions of rotor blades over the projected service life of 20 years. Premature damages that occur can be traced primarily back to design and/or manufacturing imperfections, as well as unusually high load scenarios (for instance lightning strikes, or strong winds combined with system control errors). Therefore, rotor blades have to be repaired several times (on average 2-3 times) during their projected service life. Approximately 70% of these are repairs of small- to medium-sized sandwich shells, carried out by technicians directly accessing the blade by suspended roping at the wind turbine location. The goal is to execute repairs that will last over the remaining service life, i.e. be sustainable.
Within the framework of a research project carried out at BAM, Division 5.3 Polymer Matrix Composites, Department 5 for Materials Engineering, not only was the geometric shape (round vs. square in relation to the top view) varied, but also the layup of the scarf repair structure, variables that have not been studied systematically to-date. Sub-component scale sandwich shell specimens with representative repairs were used in this work in addition to coupon-scale specimens that are more commonly seen in literature. These sub-component shell specimens were tested using a unique shell test bench under loading conditions representative of wind turbine blade shell operating conditions with respect to fatigue strength. Using non-destructive testing methods (field strain measurement and thermography), damage development and distribution was monitored and analyzed in-situ. As a result, a concept was developed in which the repaired areas showed at least equivalent if not higher fatigue strength than the reference shells that were not repaired.
Slow crack growth (SCG) under the influence of external fluid media, usually termed environmental stress cracking (ESC), is still one of the most frequent origins of severe damage and failure of polymeric materials. For polyethylene (PE) this is relevant for mass products, like bottles for consumer products, but also for high-performance materials for pipes or industrial packaging, including containers for chemicals and other dangerous goods. Especially for high-density polyethylene (PE-HD) the susceptibility to SGC and ESC is depending on the complex interplay between molecular weight and architecture and the resulting semicrystalline morphology, especially the formation of tie-molecules.
A reliable assessment of the resistance against this damage phenomenon is essential for demanding as well as safety-critical applications and has to take into account suitable testing methodologies and conditions in combination with environmental media reflecting the properties representative for typical fillings and relevant components causing ESC. In this context a better understanding of different influencing factors, such as sorption, swelling or surface activity is necessary together with a detailed characterization of different stages of crack propagation and underlying mechanisms. Therefor well-established testing methods, such as the Full Notch Creep Test (FNCT), were complemented by detailed fracture surface analysis using e.g. LSM and SEM in combination with a time-dependent optical monitoring of the progressing crack growth.
For the crack growth also the ratio of fibrillated craze zone to crack opening is important for the deeper understanding of crack propagation and related material parameters which can be additionally addressed by X-ray computed tomography.
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.
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.
Packaging containers for dangerous goods that include aggressive liquids require that any packaging material that is based on high-density polyethylene has a high degree of stability and durability. This work is focused on testing the environmental stress cracking of the high-density polyethylenes used for such containers in contact with crop protection formulations, in particular, two model liquids established in Germany as standardized test media representatives for crop protection formulations containing the various admixtures typical for such products. One of the liquids is water-based and contains mostly surface-active ingredients, while the other is solvent-based and includes some emulsifiers. Originally established for pin impression tests, these model liquids and their individual components were here used for the first time as environmental media in the Full Notch Creep Test, which addresses the resistance against environmental stress cracking. The Full Notch Creep Test was carried out on five high-density polyethylene types with both model liquids, and also on one selected material with its components. The evaluation was focused on the fracture surface structures, which were visualized by a scanning electron microscope and by optical in situ imaging of the notch opening. While the water-based model liquid and its surface-active individual components induced environmental stress cracking with the characteristic pattern for a craze-crack mechanism and so-called brittle fracture on the surface, the solvent-based model liquid and its soluble ingredients exhibited rather ductile failure behavior, caused by the plasticizing effect on the polymer that reduced the yield stress of the high-density polyethylene.
For both cases, fracture surface analysis, together with side views of the crack opening, showed a clear relation between surface pattern, notch deformation (e.g., by blunting), or crack opening due to crack growth with time to failure and the solubility of the liquids in high-density polyethylene.