Matrix Fatigue

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe stellen eine Werkstoffklasse mit herausragenden Ermüdungseigenschaften dar, die maßgeblich durch die Fasern erreicht werden. Die Polymermatrix aber auch die Faser-Matrix-Haftung sind Grundvoraussetzung, um die guten Ermüdungseigenschaften der Fasern auszunutzen. Häufig kann gezeigt werden, dass mikroskopische Schädigung wie beispielsweise ein Zwischenfaserbruch ursächlich für das Totalversagen auch in Faserrichtung ist. Die Identifizierung der Matrixeigenschaften, die diese mikroskopische Schädigung initiieren und maßgeblich beeinflussen stellt eine Herausforderung dar, da häufig auch unerwünschte Veränderungen im Laminat mit einer Polymermodifikation einhergehen. Im Vorhaben konnte gezeigt werden, dass die Strahlenbehandlung mit γ-Strahlen einen alternativen Ansatz darstellt. Durch identische Strahlbehandlung von Laminat und Reinpolymer lässt sich der Polymereinfluss auf die Ermüdungsschädigung systematisch untersuchen. Im Vorhaben stehen die für den Matrixeinfluss bekannten Lastfälle schwellender Querzug- und Längsdruckbelastung im Vordergrund. Im Ergebnis zeigte sich einerseits der Einfluss des Matrixpolymers auf die Schädigung und gleichermaßen die Rückwirkung der Randbedingung im Faser-Kunststoff-Verbund auf das Polymerverhalten. Dieser Aspekt wird beispielsweise deutlich durch sprödes Bruchverhalten von Polycarbonat aufgrund von Relaxations- und Ermüdungsbelastung trotz eines duktilen Versagens im quasi-statischen Zugversuch. Eine Nachbildung der experimentell untersuchten Laminatproben in einem FE-Modell ermöglicht eine detaillierte Analyse der Spannungszustände unter Berücksichtigung lokaler Inhomogenität und zeitabhängigen Werkstoffverhaltens. Aus diesen Ergebnissen und einer Analyse der Schädigungsinitiierung wurde ersichtlich, dass Inhomogenität den Versagensort bestimmt, wohingegen Eigenspannungen sowie der Ermüdungsrisswiderstand der Matrix, den Zeitpunkt und die Ausbreitung der Schädigung kontrollieren.

Das Ziel des Projekts ist es ein grundlegendes und systematisches Verständnis für die Wechselwirkung zwischen den mechanischen Matrixeigenschaften und dem Ermüdungsverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden auf mikroskopischer Ebene zu gewinnen und zu beschreiben.