Composites Technologien

Transkript

1 Skript zur ETH-Vorlesung L Composites Technologien Prof. Dr. Paolo Ermanni Version 4.0 Zürich August 007

2 ETH Zürich, IMES-ST

3 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Vorwort Die Vorlesung Composites Technologien wird seit 1998 in den Studiengängen Maschineningenieurwissenschaften und Betriebs- und Produktionswissenschaften im 7. Semester angeboten. Sie ist bei den Studierenden beliebt. Umso mehr ist es uns ein Anliegen, in regelmässigen Abständen Inhalte und Gliederung dieser Vorlesung zu verbessern. Die letzte Version des Skriptes ist 004 entstanden. Damals wurden etliche Kapitel überarbeitet. Bei der vorliegenden Version wurde das Thema Ausgangswerkstoffe im Kapitel inhaltlich erweitert. Ansonsten beschränken sich die Änderungen auf die Korrektur von kleinen Fehlern und Ungenauigkeiten. Zürich, im Oktober 007 Paolo Ermanni 3 Version 4.0 (August 007)

4 ETH Zürich, IMES-ST 4

5 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Einführung Ausgangswerkstoffe Die Verarbeitung von FV-Duroplasten Autoklaventechnik (Prepregtechnik) Wickeltechnik Design-to-Cost-Aspekte Textile Halbzeuge Liquid Composite Moulding (LCM-Verfahren) Die Verarbeitung von FV-Thermoplasten Pressverfahren für kontinuierlich FV-Thermoplasten Recycling von FV-Kunststoffen 5 Version 4.0 (August 007)

6 ETH Zürich, IMES-ST 6

7 Einführung Kapitel 1

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9 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Geschichtlicher Rückblick Bedeutung und Potential der Faserverbundwerkstoffe Anwendungsgebiete und -beispiele Fahrzeugindustrie Zivile Luftfahrt Raumfahrt Sportindustrie Adaptive Strukturen Ziel der Vorlesung Empfohlene Literatur zur Weiterbildung Literaturhinweise Version 4.0 (August 007)

10 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE 1 Einführung 1.1 Geschichtlicher Rückblick Die Menschheit hat sich unbewusst schon in der Vorzeit Verbundwerkstoffe zunutze gemacht, indem alle möglichen Utensilien aus Holz und Knochen angefertigt wurden (Abbildung 1) Jahren vor Christus benutzten zum Beispiel die Pfahlbauer im schweizerischen Mittelland Holzbeile, deren Fasern dem Kraftfluss im Bauteil entsprechend orientiert sind (Abbildung ). Bewusste Anwendungen gehen bis 1000 Jahre vor Christus zurück. In Ägypten wurden Mumiensärge aus zusammengeklebten Pergamentblättern hergestellt. Abbildung 1 Relativer Anteil verschiedener Werkstoffe für die Menschheit /1/ Etwas später stellten die Israeli Ziegelsteine her, denen Strohhäcksel beigegeben wurden. Um 500 vor Christus wurden von den Inka- und Mayakulturen Tongefässe hergestellt, die mit pflanzlichen Fasern verstärkt wurden. Zu den Anwendungen späteren Datums gehört u.a. die Zumischung von Rinderhaaren in den Gips für Stuckarbeiten. ETH Zürich, IMES-ST 1-4

11 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Abbildung 5000 Jahre vor Christus benutzten die Pfahlbauer im schweizerischen Mittelland solche hölzerne Beile. Im Beilkopf kann man den krummen Verlauf der Holzfasern beobachten (mit freundlicher Genehmigung des Schweizerischen Landesmuseums, Objekt Inv.-Nr. A-44413) Um 190 setzte mit der Einführung von Laminaten aus mit Zellulosefasern verstärkten Phenolharzen ein enormer Aufschwung ein. Die ersten mit Glasfasern verstärkten Polymermatrizen gab es in den dreissiger Jahren. Heute sind Polyesterharze (Binder) mit E- Glasverstärkungen weit verbreitet. Die erste Struktur aus Faserverbundwerkstoffen, die in der Luftfahrt eingesetzt wurde, war der Rumpf vom Gordon Aerolite Spitfire von 1940, bestehend aus Phenolharz verstärkt mit Flachsfasern (Abbildung 3). Die Entwicklung der hochfesten bzw. hochsteifen Verbundwerkstoffe begann gegen Ende der vierziger Jahre. Die Bemühungen gingen von der US-Airforce aus. Die bis dahin gebräuchlichen Metalllegierungen hatten sich zwar vielfach bewährt, hingegen zeigten sich Korrosions- und Ermüdungsschäden. Weiterhin zeigte sich, dass bei den Metallen nur die Festigkeit verbesserungsfähig war, kaum aber ihre Steifigkeit. Bei den Verstärkungsfasern erzielte man Fortschritte durch den Übergang zu relativ dicken Borfasern, die man durch Aufdampfen reinen Bors auf eine Wolframseele realisierte. Die vorläufige Lösung des Matrixproblems (Binders) ergab sich durch die Entwicklung leistungsfähiger Epoxydharze. 1-5 Version 4.0 (August 007)

12 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Abbildung 3 Herstellung des Rumpfes vom Gordon Aerolite Spitfire, 1940 // Die teuren und unhandlichen Borfasern wurden fast zur Gänze von neuartigen Kohlefasern verdrängt. Die Glasfasern erlebten eine Wiedergeburt durch die Einführung wärmebeständiger S- Glastypen, behielten aber den Nachteil geringer Steifigkeit. Die Firma Du Pont de Nemours entwickelte 1966 Fasern aus organischen Polymeren, die sog. Aramidfasern (organische Chemiefasern auf der Basis aromatischer Polyamide). Sie vereinigen eine hohe Zugfestigkeit mir sehr geringem Gewicht. 1. Bedeutung und Potential der Faserverbundwerkstoffe Die Erfüllung der strukturmechanischen Anforderungen ist eine grundlegende Aufgabe für lasttragende Strukturen. Immer wichtiger, aus ökonomischen und ökologischen Gründen, wird der Leichtbau (z.b. Automobilbau: Gewichtsersparnis reduzierter Treibstoffverbrauch). Deswegen nimmt die Attraktivität von Materialien mit einer niedrigen Massendichte und hoher spezifischer Steifigkeit und Festigkeit zu. Immer komplexer werdende Anforderungen betreffend Festigkeit, Steifigkeit, Sicherheit und Komfort unter Kostenrestriktionen lassen zunehmend Strukturen mit zusätzlich integrierten Funktionen entstehen. FV-Kunststoffe haben das Potential gleichzeitig sowohl strukturmechanischen wie aber auch funktionellen Anforderungen gerecht (Abbildung 4) und somit zu leistungsfähigen Strukturen und Produkten mit besonderen multi-funktionalen Eigenschaften umgesetzt zu werden. ETH Zürich, IMES-ST 1-6

13 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Passiv Aktiv Steigende Produktfunktionalität Leichtbau Konstruktive Integration Nutzung bes. Materialeigenschaften Adaptivität Integration von Mikroelementen Steigende Materialkomplexität Isotrope Werkstoffe Anisotrope Werkstoffe (Composites) Funktionale Werkstoffe Neuartige Werkstoffe Abbildung 4 Komplexität des Entwicklungsraumes: Auf die gezeigte Anwendungsbeispiele wird in Kapitel 1.3 eingegangen. Traditionelle Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium, Stahl oder Titan sind seit Jahrzehnten bekannt. Die weitgehend isotropen Eigenschaften dieser Werkstoffe die Spannungs- Dehnungsrelation reduziert sich auf unabhängige Variablen - ermöglichen eine verhältnismässig einfache Modellierung. Innovative Bauweisen, wie zum Beispiel das Schweissen von Al-Strangpressprofilen oder tailored blanks haben gezeigt, dass das Potential dieser Werkstoffe bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Composite Werkstoffe 1 ergeben sich aus der Kombination von zwei oder mehreren Ausgangskomponenten, die sich in Form und/oder Material unterscheiden und im Verbund prinzipiell nicht voneinander lösbar sind, mit dem Ziel, ein mehrkomponentiges System mit verbesserten oder gar völlig neuen makroskopischen Eigenschaften zu realisieren. Im Prinzip sind beinahe unendlich viele Materialkombinationen möglich. Im Rahmen dieser Vorlesung konzentrieren wir uns auf eine besondere Klasse von Verbundwerkstoffen: Die faserverstärkten Kunststoffe. Wie der Name verrät, bestehen FV-Kunststoffe aus einer verstärkenden Faser und einer Matrix. Die Matrix dient dazu, die Bindung zwischen den Fasern zu schaffen, die Spannungen auf die Faser zu übertragen und sie ist für den Schutz der Fasern vor Umgebungseinflüssen verantwortlich. Die Faser hat die Funktion, die Steifigkeit und Festigkeit des 1 Composites: Auf Deutsch Verbundwerkstoffe Abgekürzt FV-Kunststoffe 1-7 Version 4.0 (August 007)

14 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Verbundes zu erhöhen. Composites weisen eine Reihe von interessanten Eigenschaften und Merkmalen in Bezug auf Leichtbau-Anwendungen auf: Hohes Leichtbaupotential durch hervorragende gewichtsbezogene Steifigkeiten (E-Modul) und Festigkeiten. Eine Vielzahl an interessanten physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Dämpfungseigenschaften, die thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften. Die Möglichkeit, massgeschneiderte Werkstoffe zu realisieren durch Ausnutzung der anisotropen Materialeigenschaften, sowie die beinahe unbegrenzten Möglichkeiten, verschiedene Werkstoffe und Verstärkungsformen (Faserarchitekturen) zu kombinieren. Hohe Gestaltungsfreiheit und Flexibilität in der Fertigung. Die Möglichkeit der Integration funktionaler Elemente während des Herstellungsprozesses. Die Realisierung von tragenden FV-Strukturen stellt eine Herausforderung für den Entwickler dar, weil: die Auslegung und Dimensionierung der Struktur bedingt durch die inhomogenen und in der Regel anisotropen Eigenschaften des Werkstoffes komplexer ist, der Herstellungsprozess mit einer Reihe von physikalischen und chemischen Vorgängen verbunden ist, die gleichzeitig mit der Formgebung des Bauteils eintreten und die endgültigen Werkstoffeigenschaften prägen, die komplexen Zusammenhänge zwischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien, fertigungstechnischer Umsetzung und Endeigenschaften des FV-Bauteils unbedingt zu berücksichtigen sind. Verglichen mit isotropen Werkstoffen ist die Modellierung von FV-Werkstoffe komplexer, weil die Anzahl der Entwurfsvariablen, die der Entwickler beeinflussen kann, z.b. Faser- und Matrixtyp, Faservolumengehalt, Faserarchitektur usw. höher ist. Im Fall von transversalisotropen FV- Werkstoffen (Spezialfall der Anisotropie) sind zudem 5 unabhängige Werkstoffparameter erforderlich, um das elastische Verhalten zu charakterisieren. Konventionelle Systeme zeigen spätestens dann ihre Grenzen, wenn für die optimale Ausführung einer Funktion die Veränderung grundsätzlicher strukturellen Merkmale, wie zum Beispiel Form oder Steifigkeit erforderlich sind. Die Fähigkeit eines technischen Systems, sich an die Umgebung und/oder an veränderte Betriebszustände bzw. Randbedingungen anzupassen nennt man Adaptivität. Multifunktionale (aktive) Werkstoffe spielen hier eine ausschlaggebende Rolle. Multifunktionale Werkstoffe wie zum Beispiel piezoelektrische Keramiken, Gedächtnislegierungen, Magnetostriktive Werkstoffe zeichnen sich durch Ihre Fähigkeit aus, verschiedene Energieformen zu konvertieren. Bei kleinen Strukturen bieten diese Werkstoffe die Möglichkeit, gewisse Funktionselemente zu miniaturisieren. Bei grossen Strukturen ermöglichen funktionale Werkstoffe ETH Zürich, IMES-ST 1-8

15 COMPOSITES TECHNOLOGIEN eine Leistungssteigerung durch optimale Anpassung der physikalischen Struktureigenschaften (geometrische, mechanische, thermische, elektrische Eigenschaften) an sich verändernde Betriebs- und Umgebungszustände. Funktionale Werkstoffe können nur begrenzt Kräfte aufnehmen. Idealerweise werden sie in FV-Strukturen integriert. Spezifische Zugfestigkeit [10 3 m /s ] Aramid UD S-Glas UD CF-HM UD E-Glas UD 500 CF-UHM UD 400 Aramid S-Glas 300 CF-HT 1- Titan E-Glas CF-HM - Aluminium Legierungen 00 (1) 3- Stahl () CF-UHM 4- Aluminium (rein) 5- Eisen 100 (3) (6) 6- Messing (4) (7) 7- Kupfer (5) Spezifischer Zug-E-Modul [10 6 m /s ] Metalle FV-Werkstoffe (Unidirektional) FV-Werkstoffe (Quasiisotrop) Abbildung 5 Spezifische Eigenschaften metallischer und nichtmetallischer Leichtbauwerkstoffen 1.3 Anwendungsgebiete und -beispiele Fahrzeugindustrie Der Leichtbau als Auslegungsphilosophie im Sinne einer verantwortungsvollen nachhaltigen Nutzung der begrenzt verfügbaren Resourcen stellt für die Automobil- und Fahrzeugindustrie eine wesentliche Zielrichtung für die Zukunft dar /3/. Die Fahrzeugindustrie (Hersteller und Zulieferer) befindet sich in einer Phase tiefgreifender technologischer und ökonomischer Transformationen. Der starke Wettbewerb auf diesem Sektor führt einerseits zu erhöhten Kundenerwartungen in Bezug auf Qualität, Leistung, Sicherheit und Komfort der Fahrzeuge, andererseits zu massiven Kosten- und Zeitreduktionen für die Entwicklung und Herstellung der Produkte. Des weiteren stellen heute politisch- gesellschaftliche Bedingungen vermehrt den Rahmen für die Innovation, so dass die Entscheidung über den Einsatz von neuen Werkstoffen und Technologien eine ganzheitliche Betrachtung aller umweltrelevanten Entscheidungsparameter erfordert (Life Cycle Analysis). Abbildung 6 zeigt den realen Energieverbrauch verschiedener Fahrzeugbauweisen von der Gewinnung der Rohstoffe über die Werkstoff- und Bauteilherstellung, bis hin zum Betrieb und zur Entsorgung des Fahrzeuges. 1-9 Version 4.0 (August 007)

16 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Abbildung 7 zeigt einen Überroll-Bügel in FV-Bauweise für einen modernen Strassenverkehr-Bus. Das Bauteil ist eine dickwandige GFK-Sandwich-Struktur mit Schaumkern. Die abgewickelte Länge beträgt ca. 4.5 m. Die Festigkeit zur Aufnahme der Kräfte muss in allen denkbaren Fahrsituationen vorhanden sein. Fahrsicherheit und der Komfort der Fahrzeuginsassen erfordern ferner eine hohe Steifigkeit mit ausreichend hoher Grundfrequenz. Die Unfallsicherheit verlangt darüber hinaus eine gegenläufige Eigenschaft: Teile der Karosserie müssen beim Umkippen des Busses gezielt versagen und dabei möglichst viel kinetische Energie absorbieren, um den Überlebensraum für die Reisenden zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass die dynamischen Kräfte teilweise aufgenommen werden, insbesondere aber eine bestimmte Verformung nicht überschritten wird. Belastungstest beim Hersteller haben gezeigt, dass die geforderte Kraft (Krafteinleitung oben aussen, also im Bereich des Knicks) aufgenommen werden kann, ohne dass der Überlebensbereich gefährdet wird. CFK Al mit 30% Recyklat Al mit 80% Recyklat Stahl Rohöläquivalente in 1000 Liter Annahmen 1 Mio km l/km Treibstoffersparnis bei 1 Tonne Gewichtsreduktion 43MJ=1 Liter Gewichte Stahl.7 t Alu 1.8 t Herstellung Fahrbetrieb Recycling Einsparung Abbildung 6 Realer Energeverbrauch am Beispiel einer Fahrzeugstruktur (Quelle: Untersuchungsergebnisse BASF/Dornier) 1.3. Zivile Luftfahrt Die Luft- und Raumfahrt ist das traditionelle Anwendungsgebiet für FV-Kunststoffe. Seit Anfang der siebziger Jahren ist der Einsatz dieser Werkstoffe sowohl für militärische wie aber auch für zivile Anwendungen kontinuierlich gestiegen (Abbildung 8). Die Motivation für den Einsatz von FV- Werkstoffen in der zivilen Luftfahrt hat sich allerdings in den letzten 0 Jahren geändert: Während in den Siebzigern die Reduktion des Strukturgewichtes im Vordergrund stand, stellen heute ökonomische und ökologische Überlegungen das wichtigste Entscheidungskriterium dar. Dies bedeutet, das optimale Gleichgewicht zwischen sämtlichen Einflussfaktoren, die direkt oder indirekt mit dem Betreiben der Flugzeuge verbunden sind, zu finden. Ein grosser Anteil dieser Faktoren wird vom Gewicht, von den Herstellkosten sowie vom In-Service-Verhalten der Strukturen stark beeinflusst (Abbildung 9). ETH Zürich, IMES-ST 1-10

17 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Abbildung 7 Überrollbügel für einen Strassenbus. Beispiel einer leichten, crashtoleranten Struktur für den Fahrzeugbau (Quelle: Alusuisse Technology & Management Ltd., Neuhausen) Eine der erfolgreichen Anwendungen von FV-Strukturen im Flugzeugbau sind die Höhen- und Seitenleitwerke für die Flugzeuge der Airbus- Familie. Tragwerkstrukuren im Flugzeugbau (Flügel, Leitwerke) bestehen prinzipiell aus einem Vorderteil (Nase), Mittelkasten und Ruder. Nachdem bereits seit einigen Jahren Ruder- und Nasenteile aus Verbundwerkstoff produziert wurden, wird seit 1985 auch der tragende Teil (Mittelkasten) und damit das komplette Seitenleitwerk für den Airbus A und für die übrigen Airbus-Modelle in FV-Technik hergestellt. Heute besteht ca. 15% des Strukturgewichtes eines Airbus aus FV-Werkstoffen. Das CFK-Seitenleitwerk erreicht eine Gewichtsreduktion von 0% gegenüber der entsprechenden Al-Version. Die Seitenschalen des Mittelkastens (Abbildung 10) wurden (und werden immer noch) in Integralbauweise realisiert. Die konstruktive bzw. fertigungstechnische Integration sämtlicher Versteifungselemente der Schale (d.h. ohne Verwendung von Verbindungselemente wie Laschen, Winkel usw.) ermöglicht die optimale Ausnutzung des Gewichts- Reduktionspotentials von CFK und die Minimierung der Montageaufwendungen. Beim Seitenleitwerk konnte auf diese Weise die Anzahl der Einzelteile von 07 auf 96 reduziert werden Version 4.0 (August 007)

18 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Abbildung 8 Anteil der Composite-Strukturen am gesamten Strukturgewicht in der Luftfahrt-Industrie /4/ DOC Verteilung A30, 1990 Kapital 6% Gebühren 9% Wartung 0% Treibstoff 11% Besatzung 14% Abbildung 9 Direkte Betriebskosten (DOC) eines modernen Passagierflugzeuges (Beispiel: Airbus A30, 1990) Der Vollständigkeit halber ist hier zu sagen, dass die Herstellung von solchen hochintegrierten komplexen Strukturen ebenso komplexe und kostenintensive Fertigungsmittel erfordert. Das optimale Gleichgewicht zwischen Gewichtseffizienz und Kosten (Herstellkosten, Investitionen) ist von Fall zu Fall individuell zu überprüfen. ETH Zürich, IMES-ST 1-1

19 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Abbildung 10 CFK-Seitenleitwerk für die Airbus A310: Seitenschale (Quelle: Daimler-Benz Aerospace Airbus GmbH) Die Strukturen der sich heute in Entwicklung befindlichen Boeing 787 weisen einen Anteil von mehr als 50% an Faserverbund-Werkstoffen auf. Abbildung 11 Einsatz verschiedener Materialien in der Boeing 787 (Quelle: Boeing) 1-13 Version 4.0 (August 007)

20 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Raumfahrt In der Raumfahrt nimmt die Gewichtsersparnis bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit den höchsten Rang ein. Während in der Luftfahrt der empirische Richtwert gilt, dass ein Kilogramm eingespartes Strukturgewicht ungefähr 1000 CHF wert ist, dürfte dieser Betrag in der Raumfahrt um eine oder gar zwei Grössenordnungen steigen. Es werden besonders Strukturen für Satelliten, Antennen und Solarzellenträger aus CFK gebaut. Die extreme Leichtbauweise ist allerdings nicht der einzige Grund für den Einsatz von FV-Kunststoffen: Die Möglichkeit zur Realisierung von dimensionsstabilen Strukturen ist in der Raumfahrtindustrie, wo die Temperaturgradienten sehr hoch sein können, wie z.b. für einen Satelliten beim Erdumlauf, von grosser Bedeutung. Die in Abbildung 1 gezeigte Anwendung nutzt ferner die hohe thermische Leitfähigkeit gewisser Kohlenstoffaser-Typen für die Realisierung von leichten, festen Strukturen mit besonderen thermischen Eigenschaften. Die Kamerablende ist Teil des Rollwinkel Positionierungssystems RAS (Rotating Angle System) für den Satellit HESSI. Dieses nimmt mit einer CCD-Kamera den Sternenhimmel auf und bestimmt anschliessend mit entsprechender Bildverarbeitung den momentanen Rollwinkel des Satelliten um seine Längsachse. Die Hauptaufgabe der Blende ist es, die CCD-Kamera vor Streulicht (in diesem Fall vorwiegend von der Erde reflektiertes Sonnenlicht) zu schützen. Dies wird durch die geometrische Form und durch die spezielle Anordnung der Blenden ermöglicht. Zudem sind die inneren Kanten der einzelnen Blenden mit äusserst kleinen Radien (0 μm) ausgelegt, um interne Reflektionen möglichst zu vermeiden. Die mechanische Beanspruchung der Struktur tritt ausschliesslich während des Transportes und Aussetzens des Satelliten ein. Bei den dimensionierenden Kriterien handelt es sich um dynamische Lasten. Gefordert wird eine g-beständigkeit von 100 g. Da Satellitenstrukturen bekanntlich in extremer Leichtbauweise auszulegen sind, bietet sich hier eine CFK-Lösung an. Zusätzlich zu den angesprochenen Funktionen soll das Baffle-System einen möglichst grossen Teil der von der CCD-Kamera erzeugten Wärme abführen, da diese umso sensibler wird, je niedriger deren absolute Temperatur sich einstellt. Die vorgeschlagene Lösung berücksichtigt die Nutzung der hervorragenden thermischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern auf Pechbasis in Kombination mit herkömmlichen IM-Kohlenstofffasern und sieht ein Sandwich-Konzept mit Aussenlagen aus IM-Kohlenstofffasern und einer mittleren Lage bestehend aus den wärmeleitenden K1100x-Fasern vor. ETH Zürich, IMES-ST 1-14

21 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Dynamische Beanspruchungen Extrem leichte Bauweise Schutz vor Streulicht der Erde durch Reflexion/Absorption Scharfe Kanten zur Vermeidung interner Reflexionen Hohe Wärmeleitung in axialer Richtung IM-Faser K1100x-Faser IM-Faser Abbildung 1 Kamerablende für den Satelliten HESSI Sportindustrie Wegen seiner Festigkeit, Steifigkeit oder - je nach Auslegung - grossen Flexibilität bei geringem Gewicht ist CFK für verschiedene Sportgeräte sehr interessant. Zum Beispiel werden moderne Hockeystöcke aus CFK auf Schaumkernen aufgebaut, wobei das Hinzufügen anderer Fasermaterialien wie zum Beispiel Glas oder Aramid die Empfindlichkeit gegen Schläge verringert. Optimierte Sportgeräte entstehen durch sorgfältiges experimentelles Ermitteln der auftretenden Belastungen, sowie der Einflussfaktoren auf die Leistungseigenschaften Version 4.0 (August 007)

22 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE Abbildung 13 CFK-Hockeystock im Test bei Spielsituation und strukturellem Belastungstest (Quelle: ETH Zürich, Zentrum für Strukturtechnologien) Adaptive Strukturen Strukturen mit der Fähigkeit, sich an die Umgebung und/oder an veränderte Betriebszustände bzw. Randbedingungen anzupassen d.h. adaptive Strukturen stellen die nächste Entwicklungsstufe dar. Adaptive Eigenschaften lassen sich auf verschiedene Art und Weise realisieren, zum Beispiel durch: Diskrete Aktuatoren (Roboter, Tragflügel) Ausnutzung der elastischen Eigenschaften mechanischer Systeme Integrierte (verteilte) Aktuatoren und Sensoren (aktive Strukturen). Die adaptiven Fähigkeiten solcher Strukturen beruhen auf integrierten bzw. verteilten "intelligenten" Elementen auf der Basis funktionaler Werkstoffe mit aktuatorischen und sensorischen Eigenschaften sowie weiterer mikroelektronischer Komponenten, die mit der elastischen Struktur über geeignete Regelkreise optimal interagieren. Die Beherrschung dieser Systeme erfordert demzufolge die ganzheitliche Betrachtung der strukturmechanischen, elektrotechnischen und regelungstechnischen Aufgaben. Ein Beispiel von Adaptivität stellt eine aerodynamische Fläche dar, die sich unter Last, d.h. unter Wirkung von fluiddynamischen Kräften so verformt, dass die daraus resultierende Geometrie eine optimale Ausführung der aero-/fluiddynamische Aufgabe ermöglicht (Abbildung 14). Für den Entwickler bedeutet dies, dass die Auslegung das Ziel verfolgen muss, vordefinierte Kraft- Verformungseigenschaften in die Struktur zu integrieren. FV-Werkstoffe weisen diesbezüglich grundlegende Vorteile verglichen mit konventionellen isotropen Werkstoffen auf, weil durch den Schichtenaufbau bzw. durch die unterschiedlichen Faserrichtungen in den einzelnen Schichten die Endeigenschaften des FV-Werkstoffes in einem sehr grossen Bereich variiert/optimiert werden ETH Zürich, IMES-ST 1-16

23 COMPOSITES TECHNOLOGIEN können. Daraus resultieren ebenfalls komplexe Kopplungen zwischen Kräften und Verformungen, die zur gezielten Einstellung von gewünschtem Verformungsverhalten unter vorgegebener Last genutzt werden können. Abbildung 14 Hochleistungspropeller in FV-Bauweise 1-17 Version 4.0 (August 007)

24 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE 1.4 Ziel der Vorlesung Ziel der Vorlesung ist es, theoretisch fundierte Fachkenntnisse im Bereich der Technologien der Faserverbundwerkstoffe zu vermitteln. Dies bedeutet einerseits, die wissenschaftlichen Aspekte der Verarbeitung von FV-Werkstoffen zu verstehen und andererseits die Fähigkeit zu entwickeln, das erarbeitete Wissen erfolgreich für die Beantwortung von aktuellen Fragestellungen aus Forschung und Praxis einzusetzen. Die Lernmethodik ergibt sich unmittelbar aus den gesetzten Lernzielen; durch Vorstellen und Diskutieren von Beispielen und Problemstellungen aus Forschung und Praxis soll einerseits das Interesse für die behandelte Thematik geweckt werden und andererseits die Fähigkeit, Probleme zu erkennen und Fragestellungen korrekt zu strukturieren, gefördert werden. Die Behandlung dieser Fragen erfolgt nicht nur in den Vorlesungen, sondern auch in den angebotenen Übungen und Praktika. ETH Zürich, IMES-ST 1-18

25 COMPOSITES TECHNOLOGIEN 1.5 Empfohlene Literatur zur Weiterbildung 1 Åström, B.T., Manufacturing of Polymer Composites, Chapman & Hall, London 1997 Flemming, M.; Ziegmann, G.; Roth S., Faserverbundbauweisen, Fasern und Matrices, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Flemming, M.; Ziegmann, G.; Roth S., Faserverbundbauweisen, Halbzeuge und Bauweisen, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Flemming, M.; Ziegmann, G.; Roth S., Faserverbundbauweisen, Fertigungsverfahren mit duroplastischer Matrix, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Gutowski, T.G. (Editor), Advanced Composites Manufacturing, John Wiley & Sons, Inc. New York Heissler, H., Verstärkte Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrttechnik, Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart Jones, R.M., Mechanics of Composite Materials, Hemisphere Publishing Corporation Menges, G., Werkstoffkunde der Kunststoffe,. Auflage; Carl Hanser Verlag, München, Wien Version 4.0 (August 007)

26 GRUNDLEGENDES ÜBER COMPOSITES WERKSTOFFE 1.6 Literaturhinweise 1 Mayorga, G.D., Quality Assurance and Quality Control in International Encyclopedia of Composites, Ed. S. M. Lee, VCH Publishers, New York 1991 Bishop, W., High Performance Fibres, in Advanced Composites, ed. Partridge I.K., Elsevier Applied Science, 11989, pp Baumgart, H., Denzer, G., Hoffmann,E., Opel AG.. Innovative Leichtbauwerkstoff und konzepte für den Automobilbau. Zukunft Leichtbau, Stuttgart Kolax, W., CFK-Tragflügeltechnologie-Programm der Deutsche Aerospace Airbus. Symposium Faserverbundbauweisen, ETH Zürich, ETH Zürich, IMES-ST 1-0

27 Ausgangswerkstoffe Kapitel

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29 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Inhaltsverzeichnis Ausgangswerkstoffe -5.1 Definition und Aufbau von Composites Werkstoffen -5. Materialinhomogenität und Anisotropie -7.3 Zusammenwirken von Fasern und Matrix Volumen- und Gewichtsanteile von Verbundwerkstoffkomponenten Faservolumengehalt E-Modul in Faserrichtung und Mischungsregel E-Modul quer zur Faserrichtung und Minimalmodell Dehnungsvergrösserungseffekte in der Matrix Anforderungen an die Matrixsysteme Mechanische Eigenschaften Physikalische Eigenschaften -.5 Polymere Werkstoffe Atomarer Aufbau von Polymeren Taktizität Klassen von technischen Kunststoffen Ordnung der Makromoleküle Modellierung des thermomechanischen Verhaltens von Polymeren Zum thermomechanischen Verhaltens von Polymeren Matrixwerkstoffe auf Polymerbasis Duroplastische Matrixysteme Epoxidharze als Matrixwerkstoffe Thermoplastische Matrixsysteme Verstärkungsfasern Allgemeines Kohlenstofffasern Glasfasern Synthesefasern Version 4.0 (August 007)

30 AUSGANGSWERKSTOFFE.8 Werkstoffcharakterisierung Thermoanalytische Methoden Rheologie Literaturhinweise -86 ETH Zürich, IMES-ST -4

31 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Ausgangswerkstoffe.1 Definition und Aufbau von Composites Werkstoffen Composite Werkstoffe 1 ergeben sich aus der Kombination von zwei oder mehreren Ausgangskomponenten, die sich in Form und/oder Material unterscheiden und im Verbund prinzipiell nicht voneinander lösbar sind, mit dem Ziel, ein mehrkomponentiges System mit verbesserten oder gar völlig neuen makroskopischen Eigenschaften zu realisieren. Die Eigenschaften, die sich damit verbessern lassen, sind vielfältig und umfassen zum Beispiel: Mechanische Eigenschaften - Festigkeit - Steifigkeit - Ermüdung - Schadenstoleranz - Impactverhalten - Thermomechanische Eigenschaften Physikalische Eigenschaften - Temperaturverhalten - Korrosionsverhalten - Chemische Beständigkeit - Thermische Eigenschaften - Thermisches / elektrisches / elektromagnetisches Verhalten -... Ökonomische Aspekte - Preis-Leistungsverhältnis - Attraktivität -... Im Prinzip sind beinahe unendlich viele Materialkombinationen möglich. Im Rahmen dieser Vorlesung konzentrieren wir uns auf eine besondere Klasse von Verbundwerkstoffen: Die Faserverstärkten Kunststoffe. Wie der Name verrät, bestehen FV-Kunststoffe aus einer verstärkenden Faser und einer Matrix (Abbildung 1). Die Matrix dient dazu, die Bindung zwischen den Fasern zu schaffen, die Spannungen auf die Faser zu übertragen und ist für den Schutz der Fasern von den Umgebungseinflüssen verantwortlich. Am häufig werden Polyester-, Epoxidharze und verschiedene Thermoplaste als Matrixsystem verwendet. Die Faser hat die Funktion, die Steifigkeit und Festigkeit des Verbundes zu erhöhen. 1 Composites: Auf Deutsch Verbundwerkstoffe Abgekürzt FV-Kunststoffe -5 Version 4.0 (August 007)

32 AUSGANGSWERKSTOFFE Ausgangswerkstoffe Matrix Duroplaste Faser Glasfasern Thermoplaste Kohlenstofffasern Metalle Synthesefasern Keramiken Borfasern Keramikfasern Faserarchitektur Nicht orientierte Kurzfasern Orientierte Kurzfasern Nicht orientierte Endlosfasern Orientierte Endlosfasern Abbildung 1 Aufbau von Composite Werkstoffen Die Möglichkeiten der Verstärkungsformen sind ebenfalls vielfältig. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen: Kurzfasern: Es handelt sich um kurzgeschnittene Fasern, die für die Herstellung von Harzmatten und Pressmassen oder in den Spritzverfahren verwendet werden können. Kurzfasern können verschiedene Längen besitzen: - Faserflocken: mm - Kurzfasern: etwa 5 mm - Lange Kurzfasern: bis 50 mm Endlosfasern: Hierzu zählen unidirektionale Fasergelege, die aus parallel angeordneten endlosen Einzelfäden (Rovings) bestehen und textile flächige Halbzeuge wie Gewebe und Gestricke. Multiaxialgewebe, die senkrecht zur Ebene verstärkt werden, oder 3D-Gewebe werden ebenfalls zunehmend eingesetzt. Hybridfasern: Werden in einer Matrix verschiedene Verstärkungsfasern eingebettet, bezeichnet man diesen Werkstoff als Faserhybridwerkstoff. Damit können gezielt Materialeigenschaften gesteuert und verbessert werden, z.b.: - Steuerung der Wärmeausdehnungskoeffizienten; - Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens; - Beeinflussung der Verarbeitungs- und Bearbeitungsgeschwindigkeit; - Beeinflussung der Brucheigenschaften (z.b. Schlagzähigkeit). ETH Zürich, IMES-ST -6

33 COMPOSITES TECHNOLOGIEN. Materialinhomogenität und Anisotropie Traditionelle Leichtbaumaterialien, wie Aluminium, Titan oder Stahl sind homogene Werkstoffe. Sie zeichnen sich ebenfalls durch weitgehend isotrope Eigenschaften aus. Dehnung und Biegung Dehnung und Schubverzerrung Abbildung Kopplungseigenschaften von Laminaten Composites sind hingegen inhomogene Werkstoffe mit i.a. anisotropen Eigenschaften. Eine genaue Definition dieser Begriffe ist in folgender Liste zu finden: Homogenität: Heterogenität: Isotropie: Anisotropie: Ortsunabhängigkeit beliebiger Eigenschaften Ortsabhängigkeit beliebiger Eigenschaften Der Werkstoff besitzt in jeder Richtung die gleichen Eigenschaften Der Werkstoff besitzt in jeder Richtung unterschiedliche Eigenschaften. Die lineare Beziehung zwischen den Spannungs- und Dehnungskomponenten in Matrixform kann wie folgt geschrieben werden: σ = ε ; α, β = 1,,3,4,5,6 α C αβ β (1.1) Gleichung (1.1) mit 1 unabhängigen Elastizitätskonstanten beschreibt ein anisotropes Material ohne weitere Symmetrieeigenschaften. Existieren zwei senkrecht aufeinander stehende Symmetrieebenen, so gibt es auch eine dritte, welche wiederum senkrecht auf der ersten und der zweiten steht. Ein solches Material nennt man orthotrop und es wird durch 9 unabhängige Elastizitätskonstanten beschrieben. Für die Auslegung und Entwicklung von FV-Strukturen und Bauteilen ist in den meisten Fällen eine makromechanische Betrachtung ausreichend. Der Werkstoff wird dabei als homogen betrachtet. -7 Version 4.0 (August 007)

34 AUSGANGSWERKSTOFFE Die Anisotropie ist hingegen ein Merkmal, das sich ebenfalls auf die makromechanischen Eigenschaften des FV-Werkstoffes auswirkt und muss demzufolge berücksichtigt werden. Die Kombination einer steifen bzw. festen Faser mit einem relativ weichen Kunststoff führt in der Regel zu einem Verbundwerkstoff mit stark ausgeprägten richtungsabhängigen Eigenschaften. Die Steifigkeit wird in diesem Fall nicht mehr durch skalare Grössen abgebildet sondern durch Tensoren 4. Ordnung. Weitere wichtige Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel die Durchlässigkeit eines Faserpakets gegenüber einem viskosen Fluid (Permeabilität) werden durch Tensoren. Ordnung modelliert. Diese erhöhte Komplexität erschwert die Arbeit des Ingenieurs, eröffnet jedoch auf der anderen Seite einzigartige Möglichkeiten im Hinblick auf die Realisierung von leistungsfähigen Strukturen und Komponenten. Abbildung 3 Grumman X-9A: Die Verwendung von Composites Werkstoffen für den Flügelkasten ermöglicht einen Ausgleich der im Flügel induzierten Torsionsmomente Abbildung zeigt, wie eine geschickte Verteilung der Faserrichtungen in einem Laminat zu Kopplungseigenschaften zwischen Dehnung und Biegung (Bild oben) bzw. Dehnung und Schubverzerrung (Bild unten) führen kann. Diese Erscheinungen sind eine direkte Folge der orthotropen Eigenschaften des FV-Laminats. Der Vollständigkeit halber ist hier zu ergänzen, dass diese Eigenschaften in der Praxis kaum zur Anwendung kommen. Eine Ausnahme stellt in diesem Zusammenhang das experimentelle Flugzeug Grumman X-9A dar (Abbildung 3)..3 Zusammenwirken von Fasern und Matrix Aus der mikromechanischen Betrachtung des Verbundwerkstoffes lassen sich Erkenntnisse über die Funktion und die Bedeutung der einzelnen Komponenten und somit grundlegende Anforderungen für die Auswahl geeigneter Faser- und Matrixmaterialien herleiten. Dieser Abschnitt soll deswegen einen Einblick in den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffkomponenten, ihre Volumenanteile und den makroskopischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs geben. Die Beschäftigung mit der Frage, wie ETH Zürich, IMES-ST -8

35 COMPOSITES TECHNOLOGIEN die mittleren Eigenschaften eines Verbundes im Grossen (auf dem makroskopischen Grössenmassstab) von dem Zusammenspiel seiner Komponenten im Kleinen (auf dem mikroskopischen Grössenmasstab) bestimmt werden, nennt man Mikromechanik. Naiv betrachtet besteht faserverstärkter Kunststoff aus Kunststoff und verstärkenden Fasern. In der Realität kommen noch die Fehlstellen hinzu und auch die Werkstoffphase, die sich an der Grenzfläche zwischen Faser und Kunststoff ausbilden kann. In der Regel sind die verstärkenden Fasern im Vergleich zum Kunststoff sehr steif und sehr fest und sind damit für die technisch vorteilhaften Eigenschaften des Verbundes verantwortlich. Die Rolle des Kunststoffes ist eher passiv: einbettend hält er die Fasern in Position (sonst würden sie schlaff herumhängen) und wird deswegen Matrix genannt. Aber tun wir der Matrix nicht unrecht: sie übernimmt auch das Einleiten von Kräften in die Fasern - sei es an Stellen äusserer Krafteinleitung oder in den mikroskopisch kleinen Zonen um freie Faserenden (auch die Fasern sind nicht perfekt). Von den vielen Fragen über die Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe seien hier die folgenden behandelt: wie steif ist der Verbund in Abhängigkeit vom Faservolumenanteil in Faserrichtung? wie steif ist der Verbund in Abhängigkeit vom Faservolumenanteil quer zur Faserrichtung? wie fest ist der Verbund in Abhängigkeit vom Faservolumenanteil in Faserrichtung?.3.1 Volumen- und Gewichtsanteile von Verbundwerkstoffkomponenten Die mechanischen Eigenschaften eines Verbundes hängen von den Volumenanteilen der verschiedenen Komponenten ab. Man betrachte ein Volumen V eines Verbundwerkstoffs. Der Volumenanteil v i der i-ten Komponente ist der Quotient aus ihrem Volumen V i und dem Gesamtvolumen V : v i V = i (1.) V Bei einem Faserverbundwerkstoff betrachtet man natürlich den Anteil der verstärkenden Fasern v f und denjenigen des Kunststoffs (Matrix) v m. In der Realität muss man auch noch mit einem Anteil an Fehlvolumina (voids) v v rechnen. Die Summe aller dieser Volumenanteile ist natürlich 1: v + v + v = 1 (1.3) f m v Anders als der Mechaniker oder Berechnungsingenieur gibt der Halbzeuglieferant das Mengenverhältnis von Verstärkung und Kunststoff in seinen Prepregs (pre-impregnated) lieber in Form von Gewichts- bzw. Massenanteilen an. Wegen der unterschiedlichen Massedichten von Verstärkungsfasern und Kunststoff ergeben sich bei identischen Mengenverhältnissen andere Zahlenwerte für die Massenanteile als für die Volumenanteile. Für die Umrechnung gelten: -9 Version 4.0 (August 007)

36 AUSGANGSWERKSTOFFE m M m m v = i k = i k i M m ρ k ρ k i ρ i ρ k k V m v k 1 = ρ = v ρ i i i V ρ i i v ρ k k k k (1.4) Die mittlere Dichte des Verbundes berechnet sich nach ρ = v k ρ (1.5) k.3. Faservolumengehalt Abbildung 4 veranschaulicht den Einfluss verschiedener Verstärkungsarten auf den erzielbaren Faservolumengehalt. Die Faserarchitektur beeinflusst sowohl die mögliche Packungsdichte, wie aber auch die erzielbaren mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Abbildung 4 Einfluss verschiedener Verstärkungsarten auf den erzielbaren Faservolumengehalt /1/ Mit unidirektionalen Laminaten lässt sich die höchste Packungsdichte und somit der höchste Faservolumengehalt erreichen. Bei angenommener regelmässiger Anordnung der Faserquerschnitte im Verbund lassen sich die maximalen Faservolumenanteile recht einfach durch ETH Zürich, IMES-ST -10

37 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Ausnutzung der Symmetrien und Bildung von repräsentativen Volumenelementen errechnen. Für die hexagonale Anordnung in Abbildung 5 ergibt sich zum Beispiel: v f Max V = V f Tot π R = 3 S R n (1.7) S n entspricht die Seitenlänge des Hexagons in Abbildung 5 und wird wie folgt definiert: Durch Einsetzten ergibt sich: S n = R tan30 (1.8) π v f Max = = (1.9) 6 tan30 Aus Abbildung 4 ist ferner ersichtlich, dass für eine gegebene Faserarchitektur die Einstellung des Faservolumengehaltes über weite Bereiche möglich ist. Die Imprägnierung der trockenen Faser und demzufolge die Einstellung des endgültigen Faservolumengehaltes wird durch die Füllung der Zwischenräume innerhalb des Fasergeleges durch die flüssige Matrix erreicht. Der Füllprozess hängt wiederum von den rheologischen Eigenschaften des gewählten Matrixsystems, von den Quadratische Anordnung der Fasern Hexagonale Anordnung der Fasern v fmax = v fmax = Impägniereigenschaften des Fasergeleges und von den Prozessbedingungen ab. Abbildung 5 Maximale Faservolumenanteile für UD-Laminaten.3.3 E-Modul in Faserrichtung und Mischungsregel Bei der Belastung eines Verbundes entlang seiner Verstärkungsrichtung und in genügend grossem Abstand von den Lastangriffszonen darf man annehmen, dass die Dehnungen ε f der Fasern und ε m der Matrix gleich der Dehnung des Verbundes ε 1 sind: ε = ε = ε (1.6) m f 1-11 Version 4.0 (August 007)

38 AUSGANGSWERKSTOFFE Wenn man das unterschiedliche Querdehnverhalten von Fasern und Matrix vernachlässigt, erhält man über die jeweiligen E-Moduln die Spannungen: σ f σ m = = E ε f 1 E ε m 1 (1.7) Hier bedeutet das Symbol E f den E-Modul der Fasern in ihrer Längsrichtung. E f E 1 E m 0 v 1 f Abbildung 6 E-Modul eines Verbundes in Verstärkungsrichtung nach der Mischungsregel // Im Querschnitt mit der Fläche A wirkt eine mittlere Spannung σ 1. Ihre Resultierende P ist die Summe aus den mit den Teilflächeninhalten gewichteten Spannungen in Fasern und Matrix: P = Aσ = A σ + A σ (1.8) 1 f f m m Den mittleren E-Modul des Verbundes, wie man ihn auch mit einer Testmaschine messen kann, σ E = 1 1 ε 1 (1.9) kann man nun durch Kombination von (1.8) und (1.9) in Abhängigkeit der E-Moduln der Werkstoffkomponenten und ihrer Flächenanteile angeben: A f A E E E m 1 = f A + m A (1.10) ETH Zürich, IMES-ST -1

39 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Die Brüche geben nun die relativen Flächenanteile, die die gleichen Werte aufweisen wie die Volumenanteile v i, deren Summe natürlich immer den Wert Eins ergeben muss. Damit erhält die Mischungsregel ihre endgültige Form (Abbildung 6): E = E v + E v (1.11) 1 f f m m Neben dem E-Modul E 1 können die Querdehnzahlen υ 1 und υ 13 sowie die Wärmeleitfähigkeit K 1 nach der Mischungsregel (Grundidee der parallel geschalteten Federn) angegeben werden..3.4 E-Modul quer zur Faserrichtung und Minimalmodell Abweichend von der tatsächlichen Anordnung von Fasern und Matrix im Verbund stellen wir uns in grober Vereinfachung vor, dass Fasern und Matrix wie Federn hintereinandergeschaltet sind. Dann ist die übertragene Spannung σ konstant und es stellen sich in Fasern und Matrix dem jeweiligen E-Modul entsprechende Dehnungen ein: ε f ε m = = σ E f σ E m (1.17) Das Symbol E f steht diesmal für den E-Modul der Fasern in Querrichtung. Der Längenanteil der Fasern und der Matrix entspricht im Durchschnitt den jeweiligen Volumenanteilen. Deswegen gilt: σ σ ε = v ε + v ε ε = v + v (1.18) f f mm f E m E f m Setzt man diese Gleichung in das Hooke sche Gesetz für den Verbund, dann gilt: E E f m E = E v + E v f m m f (1.19) Dieses Modell trifft in gleicher Weise auch für den E-Modul E 3 sowie die Schubmoduln G 3, G 13 und G 1 zu. Man mache sich jedoch klar, dass das Modell der hintereinandergeschalteten Federn auf einer sehr groben Vereinfachung beruht, weil die Werkstoffkomponenten eben nicht geometrisch hintereinander angeordnet sind. In der Literatur wird auf andere Formeln verwiesen, welche den tatsächlichen Einfluss des Faservolumengehaltes besser beschreiben. Tatsächlich werden die Formeln von Christos C. Chamis /3/ heute in der Raumfahrt, auch der europäischen, als Standard betrachtet. -13 Version 4.0 (August 007)

40 AUSGANGSWERKSTOFFE Tabelle 1 Mikromechanische Formeln nach Chamis /3/ E-Modul in Längsrichtung: E = v E + v E c11 f f 11 m m E-Modul in Querrichtung: E E = E = m c c 33 E 1 v 1 m f E f Schubmodul längs-quer: G G = G = m c 1 c 13 G 1 v 1 m f G f 1 Schubmodul quer-quer: Querdehnzahl längs-quer: G G = G = m c 3 c 3 G 1 v 1 m f G f 3 υ = υ = v υ + v υ c 1 c 13 f f1 mm E Querdehnzahl quer-quer υ c c 3 = G 1 c Dehnungsvergrösserungseffekte in der Matrix Abbildung 7 Querschnitt von mehrschichtigen Laminaten: Links: Matrix mit geringer Bruchdehnung. Rechts: Matrix mit grosser Bruchdehnung. In einem mehrschichtig aufgebauten Verbund entstehen infolge von Zugbeanspruchungen Dehnungsspitzen in der Matrix, die über fünfmal grösser sein können als die globale Verbund- ETH Zürich, IMES-ST -14

41 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Deformation. Diese Dehnungsspitzen, die mit dem Effekt der Dehnungsvergrösserung in der Matrix /4/ erklärt werden können, verursachen in Laminaten mit spröder Matrix Querrisse (die sog. first ply failure ) und gefährden somit die Festigkeit des ganzen Verbundes (Abbildung 7). d Beanspruchungs richtung herausgeschnittenes Scheibchen F F l F / l M l 0 l F / Δl l + 0 = lf lm Abbildung 8 Dehnungsvergrösserungseffekt /5/ Abbildung 8 veranschaulicht den Dehnungsvergrösserungseffekt in der Matrix. Der Dehnungsvergrösserungsfaktor f lässt sich mit Hilfe von Abbildung 8 herleiten. Die ε Gesamtverlängerung Δ l entspricht der Summe der Faser- und Matrixdeformationen: Δ l = Δl + Δl (.5) o f m Durch Einsetzen der kinematischen Beziehung in Gl.. ergibt sich: ε (.6) lo = ε f l f + ε m lm Mit Δl f = Δl Δl folgt: o m lm lm ε = ε m + ε f (1 ) (.7) l l o o Mit σ f ε f =, E f σ Dehnungsvergrösserungsfaktor: m ε m = und σ = σ m = σ Em f erhält man schliesslich den -15 Version 4.0 (August 007)

42 AUSGANGSWERKSTOFFE ε m 1 fε = = (.8) ε l E l m m m ( + ( 1 )) l E l o f Aus einfachen geometrischen Zusammenhängen lässt sich die Abhängigkeit vom Faservolumengehalt ϕ wie folgt definieren /5/: o l l m o = 1 π ϕ (.9) Durch Einsetzen von.9 in.8 erhält man schliesslich: ε m 1 fε = = (.10) ε E m 1 ϕ ( 1 ) π E f ETH Zürich, IMES-ST -16

43 COMPOSITES TECHNOLOGIEN.4 Anforderungen an die Matrixsysteme Während die Verstärkungsfaser - von Kostenbetrachtungen einmal abgesehen - ausschliesslich aufgrund von Steifigkeits- und Festigkeitsüberlegungen ausgewählt wird, ist die Wahl der Matrix mit vielerlei Überlegungen verbunden. Die relative Bedeutung von Faser und Matrix bezogen auf wesentliche Eigenschaften des Verbundwerkstoffes ist aus Abbildung 9 zu entnehmen: Die Matrix übernimmt eine Reihe von wichtigen Aufgaben im Verbund. In diesem Zusammenhang sind die Endeigenschaften des Matrixsystems sehr stark von den Verarbeitungsbedingungen abhängig: Bei duroplastischen Matrixsystemen wird das niederviskose Mehrkomponentensystem während der Aushärtungsreaktion in einen hochpolymerisierten Zustand überführt. Die Aushärtungsbedingungen beeinflussen sehr stark die mechanischen und physikalischen Endeigenschaften der Duroplast-Matrix. Bei thermoplastischen Matrixsystemen wird der Schmelz-/ Erstarrungsprozess durch mehr oder weniger erwünschte Erscheinungen, wie zum Beispiel Kristallisation oder Degradation begleitet. Diese Effekte beeinflussen die Eigenschaften des Matrixsystems (und somit des Verbundes). Faser Matrix Mechanische Eigenschaften Steifigkeit Festigkeit Ermüdung Schadenstoleranz Impactverhalten Thermomechanische Eigenschaften Faser-Matrix Haftung Physikalische Eigenschaften Korrosionsverhalten Temperaturbeständigkeit Chemische Beständigkeit Elektrische Eigenschaften Verarbeitungseigenschaften Keine Bedeutung Grosse Bedeutung Abbildung 9 Relative Bedeutung von Faser und Matrix Der Zweck der Matrix ist, die Faser zu fixieren, d.h. die Bindung zwischen den Fasern zu schaffen und die Kräfte in die Fasern einzuleiten. Sie bestimmt im wesentlichen die Beständigkeit des Verbundes gegen Umwelteinflüsse und Chemikalien sowie den möglichen -17 Version 4.0 (August 007)

44 AUSGANGSWERKSTOFFE Temperatureinsatzbereich der Struktur. Darüber hinaus spielen die Verarbeitungseigenschaften des Matrixsystems eine zentrale Rolle bei der Wahl des optimalen Fertigungsverfahrens..4.1 Mechanische Eigenschaften Das Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten des FV-Werkstoffes in Längsrichtung wird im Wesentlichen von der Faser bestimmt (Abschnitt.3.3). Einachsige Spannungszustände, die zumindest theoretisch eine optimale unidirektionale Ausrichtung der Faser in Richtung der Hauptbelastung ermöglichen würden, kommen jedoch in der Praxis so gut wie nie vor. Um den in verschiedenen Richtungen wirkenden Beanspruchungen gerecht zu werden, werden mehrschichtige Laminate verwendet, wobei die Faserorientierung in den einzelnen Lagen der Richtung der Beanspruchungen anzupassen ist. Insbesondere bei mehrschichtigen Laminaten führt die kraftübertragende Funktion der Matrix zu erheblichen lokalen Beanspruchungen, die wiederum sehr hohe Anforderungen an die mechanische Eigenschaften der Matrix selbst stellen. Generell lässt sich folgendes über die Endeigenschaften eines idealen Matrixsystems für Hochleistungsanwendungen (Strukturbauteile) herleiten. Bitte beachten Sie, dass die angegebenen Zahlen Richtwerte darstellen. N Festigkeit: σ m Max 60 (.1) mm N Steifigkeit: Em 3000 (.) mm Bruchdehnung: ε 4% (.3) m Max Im folgenden werden einige (nicht sämtliche!) Aspekte in Zusammenhang mit den Anforderungen an die Endeigenschaften der Matrix diskutiert Druckfestigkeit Die Steifigkeit des UD-Laminates in Druckrichtung ist vom E-Modul der Faser dominiert. Die Druckfestigkeit wird hingegen weitgehend vom E-Modul der Matrix bestimmt, weil im Fall einer Druckbeanspruchung in Faserrichtung die Fasern durch die Matrix gestützt werden. Es gilt die Beziehung: σ (.11) / 3 max Em ETH Zürich, IMES-ST -18

45 COMPOSITES TECHNOLOGIEN Abbildung 10 CAI in Abhängigkeit der Impact-Energie für verschiedene CFK-Systeme /6/.4.1. Schadenstoleranz In Zusammenhang mit der Druckfestigkeit des FV-Laminates ist ebenfalls das Verhalten nach Schlagbeanspruchungen ein wichtiges Dimensionierungskriterium. Zur Prüfung der Druckfestigkeit im geschädigten Zustand dienen CAI 1 -Versuche. Die Bruchzähigkeit des Matrixsystems hat einen grossen Einfluss auf die Schadenstoleranz des Verbundwerkstoffes, wie aus Abbildung 10 zu entnehmen ist. Durch die Berücksichtigung von nicht sichtbaren Schäden ergeben sich daraus beim Einsatz von FV-Werkstoffen in Primärstrukturen eines Flugzeuges sehr niedrige Werte für die zulässigen Dehnungen: ε 0.4% i 1,,3 (.1) i Max = Die Formulierung von duktilen Harzsystemen mit hoher Wärmefestigkeit ist leider sehr schwierig, da sich die strukturellen Merkmale, die zu Endprodukten mit hoher Bruchdehnung führen, und diejenigen, die einen hohen Glasumwandlungspunkt zur Folge haben, gegenseitig ausschliessen. Als Beispiel sei hier erwähnt, dass steife Molekülkettensegmente mit hoher Vernetzungsdichte zu hohen T g - Werten einerseits, andererseits jedoch auch zu Harzen mit sprödem Charakter führen. Zur Verbesserung dieses Sachverhaltes sind verschiedene Entwicklungsrichtungen eingeleitet worden: Verbesserung der Harz-Duktilität durch Modifikationen: Die Bruchdehnung eines eng vernetzten EP-Harzes kann durch Einlagerung von Flexibilisatoren und reaktiven Verdünnern 1 CAI: Compression After Impact -19 Version 4.0 (August 007)

46 AUSGANGSWERKSTOFFE (z.b. Mono- oder Diepoxidverbindungen) in der Molekülkette oder durch Vermischung mit wenigen funktionellen EP-Harzen erhöht werden. Einsatz von Thermoplasten: Die Verbesserung der Matrix-Zähigkeit war ein ausschlaggebendes Kriterium für die Entwicklung von FV-Werkstoffen auf Thermoplastbasis. Einige Thermoplaste verbinden hohe Wärmebeständigkeit mit hoher Bruchdehnung und Schlagzähigkeit (Tabelle ). Faserverstärkung- und architektur: Der Lagenaufbau und/oder der Einsatz von Hybridlaminaten, zum Beispiel die Kombination von Kohlenstoff- und Kevlarfasern beeinflussen die Schadenstoleranz des Verbundes. Last but not least die Entwicklung von schadenstoleranten Faserarchitekturen mit.5 bzw. 3D-Verstärkung scheint, unter Berücksichtigung von technischen und wirtschaftlichen Aspekten, die erfolgversprechendere Option zu sein. Tabelle Endeigenschaften: Vergleich zwischen ausgewählten duro- und thermoplastischen Matrixsystemen) EP-Harze BMI 1 PEI PEEK Steifigkeit (Zug-E-Modul) [GPa],6-3, Bruchdehnung [%] 1,5-8, Bruchzähigkeit [kj/m ] ohne Bruch Glasübergangstemperatur [ C] Bruchdehnung Eine wichtige Eigenschaft der Matrix insbesondere im Zusammenhang mit der Schadenstoleranz des Verbundwerkstoffes ist die Bruchdehnung. Eine hohe Bruchdehnung des Matrixsystems führt zu deutlichen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften des ganzen FV-Werkstoffes, u.a. zur Erhöhung der Festigkeit und des Energieaufnahmevermögens /7/. Unter Berücksichtigung von Dehnungsvergrösserungseffekten (Vgl. auch Abschnitt.3.5) lassen sich die Anforderung bezüglich der Bruchdehnung der Matrix empirisch wie folgt quantifizieren: Mit: ε ε f m max max : Bruchdehnung der Matrix : Bruchdehnung der Faser m max ε f max ε (.4) Eine hohe Bruchdehnung der Matrix ist ebenfalls während des Herstellungsprozesses erforderlich: Aufgrund des anisotropen Charakters gewisser Verstärkungsfasern (z.b. Kohlenstoffasern) und des stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Faser und Matrix entstehen 1 BMI: Bismaleinimide ETH Zürich, IMES-ST -0