Hochzähe, duroplastische Faserverbundwerkstoffe für den Flugzeugbau

Duroplastische, kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffsysteme (CFK) bieten bei einer geringen Dichte sehr große Festigkeiten und Steifigkeiten, weisen jedoch einen sehr geringen Widerstand gegen Rissbildung und -fortschritt auf. Zur Steigerung der Risszähigkeit können verschiedene Strategien verfolgt werden, die z.B. auf einer intrinsischen Modifikation des Werkstoffs durch Änderung der Funktionalität des Precursors beruhen kann, um die Netzwerkdichte zu beeinflussen. Ohne in die chemische Grundstruktur des Materials eingreifen zu müssen, können alternativ auch Füllstoffe (z.B. Nanopartikel) in das Harzsystem eingemischt werden, um eine vorwiegend auf bruchmechanischen Prinzipien basierte Steigerung der mechanischen Kennwerten des Kunststoffs zu bewirken.

Nanoskalige Modifikatoren, die als Kern-Schale-Partikel (CSR) hochdosiert und gleichmäßig verteilt in einem Harzsystem (Masterbatch) vorliegen sowie selbst-organisierende Makromoleküle, sogenannte Block-Copolymere, die nanostrukturierte Phasen bei der Aushärtung bilden, eignen sich dazu besonders. Aufwendige Dispergierprozesse bei der Herstellung werden dabei vermieden, die Partikel werden durch die Verstärkungsfasern nicht gefiltert und der strukturelle Aufbau der Partikel aus steifen und duktilen Elementen verhindert einen Abfall der Glasübergangstemperatur.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts werden einerseits elastomerbasierte CSR, als auch selbst-organisierende Block-Copolymere (BCP) eingesetzt um die Zähigkeit und Duktilität von kohlenstofffaserverstärkten Duroplasten wesentlich zu erhöhen. Zur detaillierten Untersuchung des Einflusses der beiden Modifikatoren auf Laminateigenschaften, wurde u.a. die interlaminare Risszähigkeit GIc bei Rissfortschritt ermittelt (Bild 1). Die Ergebnisse zeigen, dass bereits eine Modifizierung der Laminatsysteme durch geringe Mengen von CSR und BCP (bis 3 Vol.-%) eine Steigerung der interlaminaren Risszähigkeit um mehr als 50% bewirken kann. Eine weitere Erhöhung des Partikelgehalts sowie die Kombination beider Partikel (BCP/CSR) in einem Material führen zu einem kontinuierlichen Anstieg von GIc. Bei steigendem Füllstoffgehalt nimmt das Harzsystem durch die Aktivierung verschiedener energiedissipativer Mechanismen mehr Energie auf. Diese Energieaufnahmekapazität wird jedoch durch die dichte Packung der Verstärkungsfasern behindert, so dass es bei höheren Füllstoffkonzentrationen zu einem verminderten Anstieg der Risszähigkeit kommt. Bild 2 zeigt beispielhaft die Bruchfläche eines modifizierten Systems. Es zeichnet sich durch eine gute Faser-Matrix-Anhaftung (A), sowie Bereiche mit plastisch deformierten Partikeln und Matrix (B) aus.

Es ist somit gelungen, mit geringem Prozessaufwand die interlaminare Risszähigkeit von CFK durch den Einsatz von selbst-organisierenden Makromolekülen und Kern-Schale-Partikeln deutlich zu steigern. Dabei reichen bereits geringe Füllstoffgehalte aus, um eine signifikante Erhöhung des Widerstands gegen Rissausbreitung des Werkstoffs zu erzeugen ohne andere, ebenso wichtige mechanische und thermische Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen.

Weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Andreas Klingler
Werkstoffwissenschaft
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