Feuchtigkeitsresistenz verschiedener Titan-PEEK Interfaces
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- Timo Graf
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1 Feuchtigkeitsresistenz verschiedener Titan-PEEK Interfaces Dipl.-Ing. K. Schulze (V), Dr.-Ing. J. Hausmann Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Werkstoff-Forschung (Köln)
2 Folie 2 Inhalt 1. Faser-Metall-Laminate 1. Definition und spezifische Eigenschaften 2. Einsatz und Einsatzgrenzen von Glare 2. Thermoplastische Faser-Metall-Laminate 1. Motivation 2. Herausforderungen 3. Experimentelles Vorgehen 1. Zugscherversuche 2. Oberflächenvorbehandlungsverfahren (Ti-PEEK Interfaces) 3. Ergebnisse und vergleichende Bewertung
3 Folie 3 Inhalt 1. Faser-Metall-Laminate 1. Definition und spezifische Eigenschaften 2. Einsatz und Einsatzgrenzen von Glare 2. Thermoplastische Faser-Metall-Laminate 1. Motivation 2. Herausforderungen 3. Experimentelles Vorgehen 1. Zugscherversuche 2. Oberflächenvorbehandlungsverfahren (Ti-PEEK Interfaces) 3. Ergebnisse und vergleichende Bewertung
4 Folie 4 Faser-Metall-Laminate (FML) Definition Hybride Werkstoffsysteme Vereinigung von zwei Werkstoffklassen zu einem Strukturwerkstoff Faser-Metall-Laminat Wechselweise geschichtete Metallfolien und faserverstärkte Kunststoffschichten
5 Folie 5 Faser-Metall-Laminate (FML) Spezifische Eigenschaften Kombination von faserverstärktem Kunststoff und Metall Nachteile der Einzelwerkstoffe kompensieren und Vorteile der Einzelwerkstoffe nutzen Hoher Widerstand gegen Risse, Kerben und Risswachstum Hohe Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit Hoher Widerstand bei Impact-Belastung Verbesserte Korrosionseigenschafen Erhöhte Flamm- und Feuerbeständigkeit
6 Folie 6 Faser-Metall-Laminate (FML) Einsatz von Glare im A380 Aluminium (2024 T4) Glasfaser-Epoxy Zugbelastete Oberschale der vorderen und hinteren Rumpfsektion Anströmkanten der Leitwerke Einsatzgrenzen durch geringe Steifigkeit und Umformbarkeit
7 Folie 7 Inhalt 1. Faser-Metall-Laminate 1. Definition und spezifische Eigenschaften 2. Einsatz und Einsatzgrenzen von Glare 2. Thermoplastische Faser-Metall-Laminate 1. Motivation 2. Herausforderungen 3. Experimentelles Vorgehen 1. Zugscherversuche 2. Oberflächenvorbehandlungsverfahren (Ti-PEEK Interfaces) 3. Ergebnisse und vergleichende Bewertung
8 Folie 8 Thermoplastische Faser-Metall-Laminate Motivation (Vorteile thermoplastischer FML) Schmelzbare Matrix innerhalb FVK, anstelle Harz-Härter Systeme Unbegrenzte Rohstofflagerung ohne Kühlanforderungen Keine Aushärteprozesse unter Bildung schädlicher Reaktionsprodukte Nahezu beliebig oft thermisch umformbar (kurze Zykluszeiten!) Potential zur kontinuierlichen Fertigung und Weiterverarbeitung von FML-Halbzeugen Leichtes fügen und reparieren ohne Zusatzwerkstoffe Leichtes recyceln von Metall und FVK
9 Folie 9 Thermoplastische Faser-Metall-Laminate Herausforderungen Polymerisation der Thermoplaste bereits abgeschlossen erschwerte chemische Anbindung an Metalloberfläche Hohe thermische Eigenspannungen bei Herstellung und Betrieb (stark unterschiedliche WAK) an Grenzflächen präsent u.a. Reduzierung der Alterungsbeständigkeit Besonders in feuchter Umgebung Reduzierung der Adhäsion zwischen Metall und Thermoplast Delamination Werkstoffkombination für Luftfahrtanwendung: Ti-CF/PEEK Laminate Feuchtigkeitsresistenz von Titan-PEEK Interfaces
10 Folie 10 Inhalt 1. Faser-Metall-Laminate 1. Definition und spezifische Eigenschaften 2. Einsatz und Einsatzgrenzen von Glare 2. Thermoplastische Faser-Metall-Laminate 1. Motivation 2. Herausforderungen 3. Experimentelles Vorgehen 1. Zugscherversuche 2. Oberflächenvorbehandlungsverfahren (Ti-PEEK Interfaces) 3. Ergebnisse und vergleichende Bewertung
11 Folie 11 Zugscherversuch (in Anlehnung an DIN EN 1465) Übersicht Material: Zugscherrohlinge (Ti-3Al-2,5V) vorbehandelte Oberfläche PEEK-Folie F Zugscherproben und prüfung: Fügefläche: 5mm x 10mm Prüfgeschwindigkeit: 1,0 mm/min Messwert: Scherfestigkeit (Fügefestigkeit) F Bestimmung der Feuchtigkeitsbeständigkeit: Prüfung im Ausgangszustand (ungealtert) Prüfung nach Ausgelagerung in H 2 O (80 C/ 72h) Feuchtigkeitsbeständigkeit: τ HHH τ o 100%
12 Folie 12 Eingesetzte Oberflächenvorbehandlungen Übersicht Physikalisch Chemischphysikalisch Schleifen Basische Anodisation Silan Chemisch Sandstrahlen Saure Anodisation Titanacetylaceton (TAA) Lasern Erzeugen von Makrorauheit Verklammerung Mikrorauheit und Stabilisieren der Oxide Beständigkeit Haftvermittler Chemische Anbindung an Metall u. Polymer
13 Folie 13 Physikalische Vorbehandlung Ziel: Schaffung einer definierten Oberflächenstruktur zur mechanischen Verklammerung und Aktivierung Schleifen mit Siliziumkarbid Sandstrahlen mit Korund Laserbehandlung
14 Folie 14 Physikalische Vorbehandlung Ziel: Schaffung einer definierten Oberflächenstruktur zur mechanischen Verklammerung und Aktivierung Schleifen mit Siliziumkarbid Sandstrahlen mit Korund Laserbehandlung
15 Folie 15 Physikalische Vorbehandlung Ergebnisse hohe Festigkeit (Sand und Laser) Scherfestigkeit [MPa] hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit (Laser)
16 Folie 16 Physikalische Vorbehandlung Ergebnisse hohe Festigkeit (Sand und Laser) Scherfestigkeit [MPa] hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit (Laser)
17 Folie 17 Physikalische Vorbehandlung Ergebnisse hohe Festigkeit (Sand und Laser) Scherfestigkeit [MPa] hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit (Laser)
18 Folie 18 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ziel: Mikrostrukturierung der Oberfläche und Bildung stabiler Oxidschichten Anodisation von laserbehandelten Oberflächen Basische Anodisation mit Natronlauge (5M NaOH) Saure Anodisation mit Phosphorsäure (1M H 3 PO 4 ) Schwefelsäure (1M H 2 SO 4 )
19 Folie 19 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ziel: Mikrostrukturierung der Oberfläche und Bildung stabiler Oxidschichten Anodisation von laserbehandelten Oberflächen Basische Anodisation mit Natronlauge (5M NaOH) Saure Anodisation mit Phosphorsäure (1M H 3 PO 4 ) Schwefelsäure (1M H 2 SO 4 )
20 Folie 20 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ziel: Mikrostrukturierung der Oberfläche und Bildung stabiler Oxidschichten Anodisation von laserbehandelten Oberflächen Basische Anodisation mit Natronlauge (5M NaOH) Saure Anodisation mit Phosphorsäure (1M H 3 PO 4 ) Schwefelsäure (1M H 2 SO 4 )
21 Folie 21 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ergebnisse Scherfestigkeit [MPa] mittelhohe Festigkeit geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit
22 Folie 22 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ergebnisse Scherfestigkeit [MPa] mittelhohe Festigkeit geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit
23 Folie 23 Chemisch-physikalische Vorbehandlung Ergebnisse Scherfestigkeit [MPa] mittelhohe Festigkeit geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit
24 Folie 24 Chemische Vorbehandlung Ziel: Bildung metallorganischer Bindungen zwischen Titan und Polymer als Haftvermittler Anwendung auf laserbehandelter Oberfläche Silane (DowCorning) Titan-Acetylaceton (Tyzor AA von DuPont) Titanium surface
25 Folie 25 Chemische Vorbehandlung Ziel: Bildung metallorganischer Bindungen zwischen Titan und Polymer als Haftvermittler Anwendung auf laserbehandelter Oberfläche Silane (DowCorning) Titan-Acetylaceton (Tyzor AA von DuPont) Titanium surface
26 Folie 26 Chemische Vorbehandlung Ergebnisse Scherfestigkeit [MPa] sehr hohe Festigkeit moderate Feuchtigkeitsbeständigkeit
27 Folie 27 Vergleich der Oberflächenvorbehandlungen Feuchtigkeitsbeständigkeit [%] 68 MPa 39 MPa 58 MPa
28 Folie 28 Vergleich der Oberflächenvorbehandlungen Feuchtigkeitsbeständigkeit [%] 68 MPa 39 MPa Chemikalien = Umweltschädigung Limitierung (Größe, Anlage) Ungeeignet für Serienproduktion 58 MPa Keine Chemikalien = keine Umweltschädigung Automatisierbar (Geeignet für Serienproduketion) Temperaturempfindlich
29 Folie 29 Langzeitbeständigkeit (Laser Behandlung) Laserbehandelt Feuchtigkeitsresistenz [%] Andere Verfahren Auslagerungszeit in 80 Wasser [Tage]
30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. (FH) Karola Schulze Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Werkstoff-Forschung Linder Höhe, Köln Tel.: 02203/
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