Schadenstolerante, delaminationsfreie Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunde

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bodo Fiedler
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513556749

Der multiskalige, anisotrope Aufbau von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), führt zu einem komplexen Versagensverhalten. So treten unterschiedliche Versagensarten auf und das Matrixversagen auf der Mikroebene beeinflusst den Versagensprozess auf allen höheren Betrachtungsebenen. Delamination bezeichnet die Schichtentrennung unterschiedlich orientierter Lagen in einem FKV und ist ein kritischer Versagensfall, da er zu einer signifikanten Reduzierung der Tragfähigkeit der Laminate führt, besonders unter Druckbelastung. Thin-Ply bezeichnet Komposite mit einer Schichtdicke geringer als 60 m. Quasistatische UD-Zugversuche an ungekerbten, multidirektionalen Thin-Ply Laminaten haben gezeigt, dass die Initiierung von Matrixrissen bis kurz vor dem vollständigen Bruch verzögert wird, wodurch die Festigkeit signifikant erhöht wird. Die Unterdrückung der Matrixschädigung führt jedoch zu einer deutlichen Reduzierung der Festigkeit von gekerbten Laminaten, da kein Abbau von Spannungskonzentrationen durch Delamination auftritt. Jedoch ermöglichen Thin-Ply-Laminate auch gänzlich neue Ansätze zu Beeinflussung des Versagensverhaltens durch die erweiterten Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Lagenaufbaus. So ist ein neuer Ansatz zur Beeinflussung des Schädigungsverhaltens von FVK die Verwendung von neuartigen, von der Natur inspirierten, Lagenaufbauten. Vielversprechend sind helikoide Lagenaufbauten, die in stoßbelasteten Körperteilen von Krustentieren zu finden sind, sogenannte Bouligand-Strukturen.Wie in den Vorarbeiten des Antragstellers gezeigt, kann durch die Verwendung von Bio-Inspirierten helikoiden Lagenaufbauten das Versagensverhalten von FKV so gesteuert werden, dass Delaminationen vollständig unterdrückt werden und nur subkritischer Matrixschaden vor dem ultimativen Versagen auftritt:• Delaminationsfreie Lagenaufbauten können durch Thin-Ply und kleine Winkel zwischen den Lagen realisiert werden.• Lagenaufbauten nahezu ohne Kerbwirkung können durch Thin-Ply und kleine Lagenwinkel erreicht werden.• Die Restfestigkeit nach Schlagschäden gegenüber herkömmlichen Laminataufbauten um 15% verbessert wurde.Aus den Ergebnissen ergeben sich aber auch Fragen:• Wie dünn muss die Einzellage sein und wie klein muss der Winkel zwischen den Lagen sein, um die Effekte voll ausnutzen zu können? Hierbei muss berücksichtigt werden, dass diese geometrischen Faktoren im Wesentlichen durch die Steifigkeit der Fasern und die interlaminare Energiefreisetzungsrate GIIc determiniert werden.• Wie sind der Grenzwinkel und die Grenzschichtdicke bei denen der Schadensmodus von subkritischen Matrixrissen zu interlaminarer Delamination wechselt?Dieses Forschungsvorhaben hat das Ziel das mechanische Verhalten von helikoiden Laminataufbauten vollständig zu verstehen und das Verhalten zu modellieren, um den hohen experimentellen Aufwand zu reduzieren und so helikoide Laminate technisch nutzbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen