Numerische und experimentelle Analyse des Permeations- und Rissverhaltens von Faserkunststoffverbunden mit thermoplastischem Matrixsystem

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496642725

Um den vom Menschen verursachten Klimawandel zu begrenzen, ist das Erreichen einer Treibhausgasneutralität essentiell. In Deutschland soll dieses Ziel bis 2045 umgesetzt werden. Wasserstoff nimmt bei dem bevorstehenden technologischen Wandel in fast allen Szenarien eine Schlüsselrolle als vielfältiger und – sofern mit erneuerbaren Energien hergestellt –umweltfreundlicher Energieträger ein, um einen langfristigen Erfolg der Energiewende und des Klimaschutzes zu sichern.Unter den verfügbaren Speichersystemen für Wasserstoff stellen Druckspeicher aus Faserkunststoffverbunden (FKV) aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Speicherdichte und ihrer geringen Masse eine vielversprechende Technologie für mobile Anwendungen dar. Im besonderen Fokus der Wissenschaft stehen dabei s.g. Mehrzellenspeicher, welche eine Verschaltung von zylindrischen Tankzellen vorsehen und somit verfügbare Bauräume effizient und flexibel ausnutzten können. Nachteilig ist jedoch das verschlechterte Manteloberfläche-zu-Speichervolumen-Verhältnis, wodurch höhere Linerwandstärken zur Einhaltung der Permeations- und Leckageanforderungen benötigt werden. Eine Lösung dieses Problems stellen linerlose Bauweisen (Typ-V-Druckspeicher) dar, bei denen der FKV gleichzeitig die Funktion als Tragstruktur und Permeationsbarriere übernimmt. Die Umsetzung der Typ-V Bauweise setzt allerdings ein tiefgreifendes Verständnis des Permeationsverhaltens von FKV voraus. Aufgrund der hochbelasteten Drucktankwände muss vor allem der Einfluss der Schädigung auf die Permeation untersucht werden, um so die Herausforderungen durch angepasste Materialien sowie Strukturauslegungen bewältigen zu können.Vor diesem Hintergrund besteht das übergeordnete Ziel des Vorhabens in der qualitativen und quantitativen Analyse sowie modellbasierte Beschreibung des Permeationsverhaltens von endlosverstärkten textilen Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix (PA 6). Hierzu werden experimentelle Methoden im Bereich der bildgebenden CT-Analyse sowie die numerische Rissmodellierung mittels Phasenfeldmethode weiterentwickelt und zur Analyse von Rissmustern eingesetzt. Es werden KI-gestützte Modelle zur Vorhersage, Quantifizierung und Klassifizierung von Rissen entwickelt, validiert und für die zukünftige Permeationsbewertung textiler Architekturen bereitgestellt. Im Weiteren wird in in-situ Permeationsversuchen der Einfluss geöffneter Risse untersucht sowie ein numerisches Permeationsmodell abgeleitet. Es soll ein fundiertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Riss- und Permeationsphänomenen für Verbundwerkstoffe mit textilen Verstärkungsarchitekturen generiert werden, um so die Grundlage für eine erfolgreiche Gestaltung und Auslegung von linerlosen bauraumeffizienten Drucktanks und -leitungen zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen