SCFK -Funktionsintegration mit metallischen Endlosfasern

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Trotz der überlegenen gewichtsspezifischen und mechanischen Eigenschaften von duroplastischen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind oftmals das spröde Versagensverhalten unter Zug- und Biegebeanspruchungen sowie die - daraus resultierend - geringe Schadenstoleranz und Strukturintegrität ein Ausschlusskriterium für diese Werkstoffe. Weitere anwendungsbezogene Ausschlusskriterien folgen aus der - im Vergleich mit metallischen Leichtbauwerkstoffen - eher als gering einzustufenden elektrischen Leitfähigkeit. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die Integration duktiler Stahlfasern in CFK eine signifikante Verbesserung der Schadenstoleranz und der Crashperformance bei gleichzeitiger Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit ermöglicht. Abhängig vom Anteil der Stahlfasern, ihrer individuellen Eigenschaften, der Laminatarchitektur eines derartigen Hybridlaminats und der angewandten Hybridisierungsstrategie bieten die eingebetteten Stahlfasern aufgrund ihrer hohen Bruchdehnung alternative Lastpfade und ermöglichen so die Lastaufnahme auch nach dem Versagen der spröden Kohlenstofffasern. Während in vorangegangenen Untersuchungen das Potenzial dieses Hybridmaterials bewiesen wurde, konzentrieren sich die aktuellen Arbeiten darauf, die verschiedenen Mechanismen des Materialverhaltens vor, nach und während des Versagens von Kohlenstofffasern zu verstehen und Beschreibungsansätze dafür zu entwickeln.

 

Anhand einer umfangreichen experimentellen Untersuchung kann gezeigt werden, dass das Versagen der Kohlenstofffasern einen komplexen Lastumlagerungsprozess auslöst und das Materialverhalten nach dem Versagen der Kohlenstoffasern im Wesentlichen von den dabei entstehenden lokalen Schädigungen und Beanspruchungen abhängt. Ferner kann gezeigt werden, wie diese Schädigungen und Beanspruchungen, durch beispielsweise den Laminataufbau, beeinflusst werden können.

 

Darauf aufbauend wird ein Modell vorgestellt, mit dem der komplexe Lastumlagerungsprozess nach dem Versagen der Kohlenstoffasern abgebildet werden kann und eine Abschätzung des Materialverhaltens auch für andere Materialkombinationen möglich ist.

Darüber hinaus wird ein Materialmodell zur Abbildung des Materialverhalten von stahlfaserverstärkten Kunststoffen (SFK) für den Solver LSDyna© implementiert. In Kombination mit einem Materialmodell für herkömmliche Faserverbundwerkstoffe ermöglicht dies die Berücksichtigung des hybriden Laminataufbaus, bestehend aus einzelnen SFK- und CFK-Schichten im Rahmen von Auslegungsaufgaben mit der FEM.

Die wichtigste Einschränkung der Vorhersagefähigkeit sowohl für das Modell des Lastumlagerungsprozesses als auch für die Beschreibung des Materialverhaltens in der FEM resultieren aus dem bisher nur lückenhaft vorhandenen Wissen um die Grenzschichteigenschaften zwischen den Stahlfasern und der Matrix sowie aus dem Verhalten dieser Grenzschicht beim Versagen der Kohlenstofffasern.

Kontakt:
M.Sc. Jan Rehra
Mechanische Charakterisierung & Modellierung
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-108
E-Mail: jan.rehra@ivw.uni-kl.de

Verzerrungszustand direkt vor (1) und nach (2) dem Versagen der Kohlenstoffasern

Vergleich der numerischen Vorhersage und des experimentellen Ergebnisses für einen Laststeigerungsversuch an stahlfaser-verstärktem Kunststoff