Auswirkungen von interlaminaren Eigenspannungen auf die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Hybridverbundwerkstoffen

Titelangaben

Kropka, Michael:
Auswirkungen von interlaminaren Eigenspannungen auf die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Hybridverbundwerkstoffen.
Bayreuth , 2020 . - VIII, 131 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004636

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Abstract

Bereits seit den frühen 1980er Jahren werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer hohen spezifischen Steifigkeit für hochbelastete Strukturbauteile im automobilen Rennsport verwendet. Dem anschließenden Einsatz in Sportwägen von Lamborghini und Ferrari ab den 1990er Jahren folgte die erstmalige Nutzung von CFK in den Serien-Elektrofahrzeugen i3 und i8 von BMW. Aufgrund der Mehrkosten im Vergleich zu metallischen Strukturen und der schlechten CO2-Bilanz von Kohlenstofffasern hat sich diese Werkstofftechnologie allerdings bis- her nur vereinzelt in weiteren Großserienfahrzeugen (z. B. BMW G11) durchgesetzt.
Eine Möglichkeit, den Nachteilen von CFK zu begegnen, ist die Verknüpfung von CFK mit kostengünstigerem, glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), um in einem hybriden Ansatz die teuren aber hochsteifen Kohlenstofffasern belastungsgerecht in einem Laminat bzw. Bauteil mit GFK zu kombinieren. Interlaminare Eigenspannungen (iE), die aus dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der Verstärkungsfasern resultieren, müssen bei diesem Ansatz besonders beachtet werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, die iE in UD Tape basierten PA6 Hybridlaminaten zu quantifizieren sowie deren Einfluss auf die dynamischen 3-Punkt Biegeeigenschaften zu untersuchen. Zudem wird der Einfluss einer Wärmebehandlung auf die iE und die mechanischen Kennwerte ermittelt. Ziel ist es ferner, wissenschaftliche Grundlagen für den industriellen Einsatz dieser Werkstofftechnologie zu erarbeiten. Infolgedessen werden eine Kostenreduktion von 30 % und eine Verbesserung der CO2-Bilanz um 50 % gegenüber reinem CFK angestrebt.
Die Messbarkeit der iE mittels der analytischen Bohrlochmethode wird im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen, womit Korrelationen zwischen den vorherrschenden Spannungen und den mechanischen Eigenschaften ermöglicht werden. Die iE in den Hybridlaminaten führen zur vorzeitigen Rissbildung in der Grenzfläche zwischen Glas- und Kohlenstofffaserlagen und folgerichtig zu versagensinitiierenden Delaminationen. Durch die Materialermüdung unter dynamischer Last reduziert sich die maximal ertragbare Spannung von Hybridlaminaten aufbauunabhängig um 21% bis 25 % gegenüber einer statischen Biegebeanspruchung. Beim CF Monomaterialaufbau liegt dieser Rückgang bei 18 %.
Die Analyse der dynamischen Biegeeigenschaften bei einer Temperatur von +90 °C zeigt, dass der Einfluss der iE im Material auf die mechanischen Eigenschaften durch die erhöhte Umge- bungstemperatur reduziert wird. Bei dieser erhöhten Umgebungstemperatur versagen Hybridlaminate unter einer dynamischen 3-Punkt Biegebelastung bei Spannungswerten, die bei über 95 % der statischen Biegefestigkeit liegen. Während allerdings bei RT ein positiver Hybrideffekt (HE) von 3 % für ein Sandwich-Hybridlaminat festgestellt werden kann, fällt dieser Kennwert bei +90 °C auf -28 %. Hintergrund ist ein versagensauslösendes vorzeitiges Ausknicken der Koh- lenstofffasern auf der Druckseite und ein daraus folgendes katastrophales Versagen der Probe.
Weiterhin wurde der Effekt einer mehrstündigen Wärmebehandlung untersucht. Durch diese können die iE eliminiert werden, was eine Verbesserung der dynamischen Biegefestigkeit nach sich zieht. Ein alternierendes Hybridlaminat erreicht damit bei RT über +90 % der dynamischen Festigkeit eines CFK Laminates bei 35 % geringeren Kosten. Der dynamische HE der getemperten Hybridlaminate beläuft sich dabei auf 18 %, gegenüber -4 % im unbehandelten Zustand.

Abstract in weiterer Sprache

Carbon fibre reinforced plastics (CFRP) with a high weight-specific stiffness have been used for highly loaded structural components in racing cars since the early 1980s. Subsequent exploitation in conventional sports cars (Lamborghini and Ferrari) from the 1990s onwards was followed by the first use of CFRP in BMW's i3 and i8 serial electric vehicles. However, due to the additional costs compared to metallic structures and the poor CO2 balance of carbon fibres, this material technology has so far rarely been used in other mass production vehicles (e.g. BMW G11).
An approach of countering the disadvantages of CFRP is to combine it with more cost-effective, glass-fibre-reinforced plastic (GFRP) in order to mix the expensive but highly stiff carbon fibres in a laminate or component with GFRP in a hybrid, load-specific manner. The major limitations associated with this approach are interlaminar residual stresses resulting from the different thermal expansion behaviour of the reinforcing fibres. The aim of the present work is therefore to quantify the interlaminar residual stresses in UD tape based PA6 hybrid laminates and to investigate their influence on the dynamic 3-point bending properties. In addition, the effect of a heat treatment on the interlaminar residual stresses and the mechanical properties will be determined, thus creating a scientific basis for the industrial application of this material technology. As a target result, a cost reduction of 30 % and an improvement of the CO2 footprint by 50 % compared to pure CFRP are aimed for.
The measurability of the interlaminar residual stresses by means of the analytical hole drilling method is proven in the context of this work, which enables the determination of correlations between the existing stresses and the resulting mechanical properties. The interlaminar residual stresses in the hybrid laminates lead to a premature crack formation in the interface between glass and carbon fibre layers and consequently to failure-initiating delaminations. Due to material fatigue under dynamic load, the maximum stress that hybrid laminates can bear is reduced by 21 % to 25 % compared to the corresponding static bending strength, regardless of the lay-up design. For the carbon fiber monomaterial structure, this decrease is 18 %.
The analysis of the dynamic bending properties at a temperature of +90 °C shows that the influence of the interlaminar residual stresses in the material on the mechanical properties declines with increasing ambient temperature. At this ambient temperature hybrid laminates fail under a dynamic 3-point bending load at stress values exceeding 95 % of the static bending strength. However, while at room temperature a positive hybrid effect of 3 % can be observed for a sandwich hybrid laminate, at +90 °C this characteristic value drops to -28 %. The reason is a premature buckling of the carbon fibres on the pressure side which initiates the resulting catastrophic failure of the sample.
The effect of a heat treatment lasting several hours was also investigated. This allows the interlaminar residual stresses to be eliminated, resulting in an improvement of the dynamic bending strength. At room temperature an alternating hybrid laminate thus achieves over +90 % of the dynamic strength of a CFRP laminate at 35 % lower costs. The dynamic hybrid effect of the heat-treated hybrid laminates is 18 %, compared to -4 % in the untreated state.