Faserverbundbauweisen Eigenschaften

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Unter Verbundwerkstoffen versteht man aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzte Werkstoffe. Es ist einleuchtend, dass die Eigenschaften der einzelnen Komponenten und deren Interface die der Verbunde massgeblich bestimmt. Daraus ergibt sich zwingend die Notwendigkeit, die Eigenschaften der Komponenten und deren Begrenzungen genau zu kennen.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

2. Analogien zwischen Faserverbunden der Natur und Technik

Zusammenfassung

Fast alle Strukturen der lebenden Natur bestehen aus Faserverbunden. Die Natur ist in der Lage, diese „automatisch“ hinsichtlich vieler Eigenschaften zu optimieren. Aus den vielen Beispielen werden für dieses Buch nur drei typische Strukturen, stellvertretend für die vielen anderen, ausgesucht und beschrieben.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

3. Die Theorie zur Berechnung dünnwandiger Laminate

Zusammenfassung

Zunächst sollen einige Grundlagen zur Terminologie der Faserverbundwerkstoffe erläutert werden.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

4. Die Deformation anisotroper Laminate und die Bedeutung der Kopplungsmatrix B [4.1]

Zusammenfassung

Die Kopplungsmatrix B 4.1 ergibt sich bei der Herleitung der Laminattheorie als Untermatrix der ABD Matrix (siehe Kapitel 3). Diese B-Matrix verbindet bei nichtsymmetrischen Faserverbunden die translatorischen Verformungen mit den Krümmungen und umgekehrt, eine Eigenschaft, die nur anisotrope Werkstoffe zeigen. Sobald jedoch ein Laminat über seine Dicke symmetrisch ist, werden sämtliche Koeffizienten der B-Matrix Null. Das bedeutet, dass, wie bei isotropen Materialien, die translativen Verformungen von den Krümmungen entkoppelt sind.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

5. Berechnungsbeispiele

Zusammenfassung

Im Kapitel 5 sollen zwei Berechnungsbeispiele gegeben werden, um die Anwendung der Theorie (Kapitel 3 und 4) zu erläutern. Es werden ferner vereinfachte Formeln angegeben, die in einzelnen Fällen verwendet werden können.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

6. Festigkeitshypothesen - Festigkeitsberechnungen

Zusammenfassung

In Bauteilen treten meist mehrachsige Spannungszustände auf. Von den Werkstoffen liegen aus Versuchen jedoch in der Regel nur einachsige Festigkeitswerte vor. Damit aus diesen Werten auf die Tragfähigkeit, d. h. die Festigkeit bei mehrachsigen Spannungszuständen geschlossen werden kann, wurden Festigkeitskriterien entwickelt. Diese wurden meist rein empirisch gewonnen. In einigen Fällen basieren sie auch auf Vorstellungen über das Bruchgeschehen, sogenannten Festigkeitshypothesen. Dies trifft besonders für neuere FKV-Bruchkriterien zu [6.1].

Manfred Flemming, Siegfried Roth

7. Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen gerichteten kurz- und langfaserverstärkten Thermoplasten unter statischer und dynamischer Belastung insbesondere bezüglich deren Restfestigkeit und Reststeifigkeit [7.2]

Zusammenfassung

In [7.2] hat sich T. Flemming umfassend mit dem Vergleich von gerichteten kurz-und langfaserverstärkten Thermoplasten befasst. Die Untersuchungen beinhalten die Herstellung von Kurzfaserprepregs und den daraus hergestellten Laminaten und das Umformverhalten derartiger Laminate und deren statische und dynamische Eigenschaften. In diesem Buch werden hauptsächlich die in [7.2] erarbeiteten mechanischen Eigenschaften wiedergegeben.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

8. Mechanische, temperaturabhängige und wirtschaftliche Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

Zusammenfassung

Nach [8.1] und [8.2] werden frühere Epochen der Menschheit nicht zufällig durch den jeweils bevorzugt verwendeten Werkstoff benannt. Werkstoffe bilden somit einen Gradmesser für das technische Niveau und den Fortschritt.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

9. Das Ermüdungsverhalten vonFaserverbunden bei dynamischer Belastung

Zusammenfassung

Zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von CFK-Verbunden greift man analog zu den metallischen Werkstoffen auf die Wöhlerlinie bzw. auf den Einstufenversuch zurück, der allerdings je nach Anforderung mit unterschiedlichsten Belastungsarten ermittelt wird. Ein Mass für die Belastungsart ist der R-Faktor, der durch das Spannungsverhältnis

Manfred Flemming, Siegfried Roth

10. Der Einfluss von feuchtwarmem Klima auf die Laminateigenschaften

Zusammenfassung

Neben den im Bauteil auftretenden mechanischen Beanspruchungen unterliegen die Werkstoffe in der praktischen Anwendung zusätzlichen Einflüssen, die von den Einsatz-und Umgebungsbedingungen herrühren. Neben der möglichen Einwirkung von Chemikalien, Temperatur, Strahlung, Witterung muss nahezu immer mit dem Einfluss von Feuchtigkeit aus der Umgebung gerechnet werden. Praktisch sind alle Polymere nicht diffusionsdicht. Sie nehmen z. B. Wasser aus der Umgebung auf. Diese absorbierte Feuchtigkeit vermindert jedoch die Wärmeformbeständigkeit der Harzsysteme und damit natürlich auch der Verbundwerkstoffe.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

11. Korrelationsbetrachtungen

Zusammenfassung

Die Charakterisierung der thermomechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen erfolgt in der Regel anhand der Ermittlung der experimentell bestimmten Glasübergangstemperatur. Bei den in DIN 29971 beschriebenen Verfahren wird eine Änderung der Steigung der experimentell bestimmten temperaturabhängigen Schubmodulkurve zur Festlegung einer Temperatureinsatzgrenze herangezogen. In [11.1] wurde der Frage nachgegangen, inwieweit eine Übereinstimmung zwischen Veränderungen des dynamisch bestimmten Schubmoduls und ausgewählten matrixabhängigen mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich um die Glasübergangstemperatur TGA besteht und inwieweit die TGA einer feuchtgesättigten Matrix dazu geeignet sein kann, eine Temperaturgrenze unter Umweltbedingungen zu beschreiben. Für die Beurteilung des temperaturabhängigen Verhaltens unter Feuchteeinwirkung wurden folgende mechanische Eigenschaften zugrunde gelegt:

• Druckfestigkeit alio
• Querzugfestigkeit ß22Z
• Interlaminare Scherfestigkeit 6o°i±45°
• Kerbzugfestigkeit ókerb

Manfred Flemming, Siegfried Roth

12. Schadenstoleranz von Faserverbund- Werkstoffen und -Bauteilen [12.1]

Zusammenfassung

Das Schadensverhalten metallischer Werkstoffe, die im Strukturbereich Anwendung finden, ist seit einigen Jahrzehnten ausführlich untersucht und weitgehend bekannt. Entsprechend diesem Werkstoffverhalten sind z. B. Inspektionsintervalle für schadensgefährdete Bereiche festgelegt, um sowohl die Schadensentstehung, als auch den Schadensfortschritt beobachten zu können. So gelten bei Metallen - in der Luftfahrt im wesentlichen hochfeste Aluminium-Legierungen in erster Linie Kerben durch Bohrungen oder konstruktionsbedingte Steifigkeitssprünge usw. als kritische Stellen.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

13. Streuungsverhalten von Faserverbundwerkstoffen

Zusammenfassung

Die Qualifikation eines Faserverbundwerkstoffes erfordert eine grosse Anzahl von Proben, die oft Streuungen unterworfen sind. Diese Problematik verschärft sich dadurch, dass in der Produktion von Faserverbundbauteilen mindestens zwei, besser drei Werkstoffe zu qualifizieren sind. Für die Anwendung, z. B. in der Flugzeugindustrie haben sich dabei folgende Beurteilungskriterien herausgeschält, die natürlich im wesentlichen auch für andere Gebiete wie z. B. die Fahrzeugindustrie, oder allgemein die Transportindustrie gelten können:

• gute Werte der klassischen Eigenschaften wie die Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Schubfestigkeit mit den zugehörigen Modulwerten sowohl senkrecht (L) als auch parallel (II ) zur Faserachse
• ausreichende hot/wet (warm/feucht) Eigenschaften hinsichtlich des Langzeitverhaltens
• hohe Bruchdehnungs-Reserve, Arbeitsaufnahme im Crashfall
• hohes Steifigkeits - Beulverhalten
• hohe Impact-und Damagetoleranz
• gute Ermüdungseigenschaften
• geringe Toxizität, Rauchgasdichte und Entflammbarkeit im Brandfall
• einfache Verarbeitungseigenschaften und lange offene Verarbeitungszeit
• geringe Materialkosten und Herstellkosten

Manfred Flemming, Siegfried Roth

14. Recycling von Faserverbundwerkstoffen und -bauteilen [14.1] [14.7]

Zusammenfassung

Die Recyclingverfahren von Faserverbundwerkstoffen werden hauptsächlich von deren Komponenten Faser und Matrix bestimmt. Die wichtigsten Faserverbunde (Strukturwerkstoffe) sind:

• Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)
• Aramidfaserverstärkte Kunststoffe und Synthese faserverstärkte Kunststoffe (SFK)
• Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe (CFK)

Manfred Flemming, Siegfried Roth

15. Aktive Funktionswerkstoffe und -bauweisen

Zusammenfassung

Da Faserverbundbauweisen Schichtstrukturen darstellen, ergibt sich die Möglichkeit, neben den optimalen Gestaltungsmöglichkeiten zwischen oder in die Schichten andere Werkstoffe oder Mikrostrukturen zu integrieren, z. B. aktive Werkstoffe bzw. Elemente, mit denen zusätzliche Funktionen wie beispielsweise Verformungen oder Bewegungen, erzeugt werden können. Dieses Gebiet wird auch mit „Struktronik“ bezeichnet. In [15.1] wird von Eispass, W. und Flemming, M. das Gebiet ausführlich einschliesslich vieler weiterer Literatur erläutert, so dass wir uns hier im vorliegenden Buch sehr kurz fassen können und darüber hinaus jeweils auf [15.1] verweisen.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

16. Die elektrischen Eigenschaften von Faserverbunden und modifizierten Matrices

Zusammenfassung

In vielen Gebieten des Maschinen-und Fahrzeugbaus werden heute die konventionellen metallischen Werkstoffe ersetzt durch faserverstärkte Kunststoffe. Diese Kunststoffe sind vielfach den Metallen ebenbürtig oder oft sogar in mechanischer Hinsicht überlegen. Sie kombinieren gute bis sehr gute mechanische Eigenschaften mit geringem Gewicht. Gleichzeitig haben auch die fallenden Kosten dieser Faserverbundwerkstoffe dazu geführt, dass heute vermehrt Komponenten oder ganze Baugruppen in dieser Technologie hergestellt werden. Neben den klassischen Einsatzgebieten der Luft-und Raumfahrt hält diese Technologie heute auch Einzug in den Fahrzeugbau und in den allgemeinen Maschinenbau.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

17. Crashverhalten von Faserverbundwerkstoffen und -strukturen

Zusammenfassung

Da aus heutiger Sicht immer mehr Faserverbunde insbesondere aus CFK im Kfz-Bereich zur Anwendung kommen [17.1] [17.2], hat die Frage der Crash-Sicherheit von Kraftfahrzeugen aus CFK bei der Autoherstellung einen sehr hohen Stellenwert bekommen Die Anforderungen an die Sicherheit von Kraftfahrzeugen sind in letzter Zeit deutlich gestiegen, was dazu führte, dass neue Möglichkeiten und Verbesserungen zum Tragen kommen mussten.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

18. Weitere Kriterien und Einsatzmöglichkeiten bei verwendung von faserverstärkten Kunststoffen

Zusammenfassung

Nachfolgend werden noch einige bisher in diesem Buch nicht behandelte unterschiedliche Eigenschaften von Faserverbunden und deren Auswirkungen auf verschiedenste Gebieten erklärt.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

19. Untersuchungen zum Langzeitverhalten von CFK-Komponenten

Zusammenfassung

In den vorherigen Kapiteln wurden vor allem CFK-Werkstoffe sowie die daraus entwickelten Bauteile bzw. Bauteilkomponenten im Ursprungszustand eingehend untersucht. Häufig wird jedoch die Frage gestellt, wie sich der Faserverbundwerkstoff und die diesbezüglichen Bauteile nach längerer Einsatzzeit besonders in unterschiedlichen Klimata verhalten. Deshalb wurden im Rahmen eines „Komponenten-Erprobungsprogrammes“ die hochbeanspruchten CFKBremsklappen des Alpha-Jet in einer Langzeiterprobung untersucht [19.1] [19.2]. Abb. 19.1 zeigt die ausgefahrenen Klappen am Alpha-Jet. Die Bremsklappe des Alpha-Jet war das erste hochbeanspruchte Flugzeugbauteil in CFK-Bauweise in Europa.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

20. Das Beulverhalten und die Tragfähigkeit im Nachbeulbereich von CFK-Strukturen

Zusammenfassung

Faserverbunde sind bei der Verwendung von Kohlefasern im Vergleich zu Metallen relativ spröde. Sie verhalten sich nicht plastisch. Es stellt sich daher die Frage, bis zu welchem Beul-Überschreitungsgrad, das heisst, bis zu welchem Vielfachen der Beulspannung bis zur Bruchspannung ein Beulen der Struktur erlaubt ist bzw. ob überhaupt ein Beulen der meist dünnwandigen Struktur zugelassen werden darf.

Manfred Flemming, Siegfried Roth

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