Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Epoxidharzsysteme charakterisiert. Zwei Systeme mit großen bruchmechanischen Unterschieden wurden zur Fertigung äquivalenter GFK- und CFK-Laminate mit Faserausrichtungen in 0/90° und ±45° ausgewählt. In quasi-statischen Zugversuchen und Einstufenschwingversuchen mit einem Beanspruchungsverhältnis von R= 0,1 wurden diese Laminate hinsichtlich ihres Schädigungsbeginns und ihrer Schädigungsentwicklung untersucht. Die Detektion der Schädigungen sowie die Dokumentation der Schädigungsentwicklung wurde anhand der Lichtabsorptionsanalyse an GFK-Laminaten und anhand der Röntgenrefraktionsanalyse an CFK-Laminaten umgesetzt. Auf diese Weise konnten Einflüsse der bruchmechanischen Eigenschaften der Matrix auf die Schädigungsentwicklung im Verbund aufgezeigt werden. Zudem wurden für die untersuchten Laminate die Schädigungsgrenzen bei schwingender Beanspruchung ermittelt. Anhand durchgeführter Schwingversuche an CFK-Laminaten im Very High Cycle Fatigue-(VHCF)-Lastwechselbereich bis 108 konnten Rückschlüsse vom Schädigungsverhalten im High Cycle Fatigue-(HCF)-Lastwechselbereich bis 106 auf die Dauerfestigkeit im VHCF-Bereich gezogen werden und damit VHCF-Dauerfestigkeitsgrenzen bestimmt werden. Mit dem Ziel die Ermüdung der Laminate auf die Beanspruchung der Matrix zurückzuführen, wurden die Erweiterte Inverse Laminattheorie, mikromechanikbasierte Mischungsregeln sowie eine Vergleichsspannungshypothese auf die untersuchten Laminate angewendet. Die Schädigungsgrenzen konnten damit in Form der Matrixbeanspruchung wiedergegeben werden. Die Abbildung der Ermüdung verschiedener Laminate anhand einer matrixspezifischen normierten Masterschädigungslinie ist für die behandelten CFK- und GFK-Laminate gelungen.
Faser-Kunststoff Verbunde und insbesondere Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden bereits im Bereich der hohen (HCF) und sehr hohen Lastspielzahlen (VHCF) eingesetzt. Während statische Festigkeiten für diese Materialien bereits gut vorhersagbar sind, gibt es noch keine verlässliche Methode Schwingfestigkeiten zu bestimmen.
Vergangene Studien an Faser-Kunststoff Verbunden an der BAM zeigten, dass bei Schwingbelastung Mikrorisse und Zwischenfaserrisse bereits weit vor dem finalen Versagen auftreten. Diese Schäden erhöhen die innere Oberfläche des Materials. Die Änderung der inneren Oberfläche kann mittels der Röntgenrefraktion bestimmt werden.
Damit konnte im Rahmen der aktuellen Arbeit eine Lastgrenze ermittelt werden, bei der im untersuchten Lastwechselbereich keine Mikrorisse auftreten. Unter den gegebenen Material- und Versuchsparametern kann damit von einer ermittelten Dauerfestigkeitsgrenze gesprochen werden.