5.3 Polymere Verbundwerkstoffe
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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.
Self-healing agents have the potential to restore mechanical properties and extend service life of composite materials. Thermoplastic healing agents have been extensively investigated for this purpose in epoxy matrix composites due to their strong adhesion to epoxy and their ability to fill in microcracks. One of the most
investigated thermoplastic additives for this purpose is poly(ethylene-co-methacrylic acid) (EMAA). Despite the ability of thermoplastic healing agents to restore mechanical properties, it is important to assess how the addition of thermoplastic healing agents affect properties of the original epoxy material. In this work, EMAA was added to epoxy resin and the effect of the additive on fracture toughness of epoxy was evaluated. Results indicate that although added in low concentrations, EMAA can affect fracture toughness.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations. Imaging and the tensile test are run at the highest possible frame rate (0.7 s-1 ) and the lowest possible strain rate (5.5∙10-4 s -1 ). For 0°/90° non-crimp fabrics, the first inter-fiber cracks occur at 380 MPa (strain 0.8 %). Prior to failure at about 760 MPa (strain 2.0 %), we observe the evolution of nearly equidistant (1 mm distance) cracks running across the entire sample in the fully damaged state.
Modern air-liners and rotor blades of wind turbines are basically made of fiber reinforced plastics (FRP). Their failure heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report on in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics (CFRP) due to inter fiber failure. An in-house designed compact-tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beam path. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinct cracks due to inter fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging technique (DEI) is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. In the laboratory, scanning X-ray refraction topography of CFRP has been applied long before but it comes along with several disadvantages: the long total measuring time hampers real time (in-situ) measurements and the required small beam size hinders end-to-end imaging. The introduced technique overcomes both drawbacks. Imaging and tensile test rig are run unsynchronized at the greatest possible frame rate (0.7 s-1 at 28.8 µm pixel size) and smallest possible strain rate (5.5∙10-4 s-1). For 0°/90° non-crimped fabrics (ncf) the first inter fiber cracks occurred at 380 MPa (strain 0.7 %). Prior to failure at about 760 MPa (strain 2.0 %) we observe the evolution of a nearly equidistant 1 mm grid of cracks running across the entire sample in the fully damaged state before total failure.
Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Modern wind turbine rotor blades consist of sandwich shell segments made from glass fiber reinforced polymers. During manufacturing, defects can arise which could lead to failure of the whole component under dynamic mechanical and thermal loads. Hence during operation defects can arise which, if detected, can be repaired locally and in-situ by applying repair patches instead of taking the whole rotor blade down and repair it remotely. This method is much more time and cost effective, since the shut-down time of the energy converter is limited to a minimum. These repair patches can, however, also lead to new defects if not applied optimally. Therefore, it is necessary to control the quality of the repair patches to ensure the best possible restoration of structural integrity of the component. As a rotor blade is an object with a large aspect ratio, X-ray laminography is predestined to provide 3D information of the objective volume. To enhance the amount of information gained from laminographic reconstruction, we use in this study a photon counting and energy discriminating X-ray detector and apply a material decomposition algorithm to the data. By inherently separating the incident spectra within the detection process into two distinct energy bins, the basis material decomposition can provide material resolved images. Choosing glass and epoxy resin as basis materials and numerically solving the inverse dual-energy equation system, the reconstructed laminographic datasets contain highly valuable information about the distribution of the basis materials within the structure. Furthermore, cross- artifacts arising from the limited angle of the projection data can be reduced by this method which allows to investigate structures that were hidden underneath the artefacts.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.