Einfluss der Matrixeigenschaften auf das Ermüdungsverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Hausmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468045930

Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix finden zunehmende Anwendung in vielen Bereichen des Transportwesens. Thermoplastische Matrixmaterialien zeichnen sich im Vergleich zu den duroplastischen Systemen durch eine höhere Duktilität und Zähigkeit aus. Durch diese Erweiterung des Eigenschaftsraumes stellt sich einmal mehr die Frage nach dem Einfluss der Verbundbestandteile auf die Ermüdungseigenschaften des Laminats. So beeinflussen die Matrixeigenschaften einerseits die Lastspielzahl bis zum Bruch aber auch das Verformungsverhalten nach einer definierten Einsatzdauer. Für etablierte meist duroplastische Matrixsysteme liefern am Laminat oder der Einzelschicht experimentell parametrisierte Versagensmodelle und ein Schädigungsmodell jeweils die Bruchschwingspielzahl und das Verformungsverhalten über die Lebensdauer. Die Anisotropie sowie die mikroskopische Inhomogenität in Form von Fasern und Matrix führen bei endlosfaserverstärkten Kunststoffen zu einem stark mittelspannungs- und richtungsabhängigen Ermüdungsverhalten. Die nach diesem Schema vorgenommene experimentelle Beschreibung stellt nur die Gesamtantwort des Werkstoffsystems auf externe Einflussgrößen wie Lastrichtung und –folge dar. Problematisch ist, dass die Vorhersagegenauigkeit maßgeblich vom experimentellen Aufwand abhängt und für jede Änderung der Komponenteneigenschaften eine Neucharakterisierung erfolgen muss. Die Gesamtantwort lässt sich auf mikroskopischer Ebene auf das Werkstoffverhalten der Komponenten Matrix, Fasern und Faser-Matrix-Interface herunterbrechen und bei umfassendem Verständnis rekonstruieren. Um neue Faser-Matrix Kombinationen und dadurch erweiterte Eigenschafträume hinsichtlich der Ermüdungseigenschaften einschätzen zu können, muss der Komponenteneinfluss verstanden werden. Ziel ist es daher, ein grundlegendes und systematisches Verständnis für die Wechselwirkung zwischen den mechanischen Matrixeigenschaften und dem Ermüdungsverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden auf mikroskopischer Ebene zu gewinnen und zu beschreiben. Mittels Strahlenvernetzung werden im beantragten Vorhaben gezielt Matrixeigenschaften verändert und deren Einfluss auf die Ermüdungseigenschaften des Verbundes experimentell und mit Hilfe von Modellen untersucht. Hierbei wird mit Modellwerkstoffen gearbeitet, die eine Separation von Einflussfaktoren erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen