Ermittlung des Einflusses verschiedener Härter in der Epoxidharz-Matrix L auf die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

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1 Ermittlung des Einflusses verschiedener Härter in der Epoxidharz-Matrix L auf die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen Dokumentation der praktischen Fertigung, der experimentellen Prüfung und der theoretischen Auswertung Bearbeitung: Dipl.-Ing. Bertram Eversmann Dipl.-Ing. Oliver Hecht Verfasser: Dipl.-Ing. Bertram Eversmann Datum:

2 Laminataufbau Der Laminataufbau wird durch die in den Prüfnormen vorgegebenen Prüfkörperdicken und die angestrebte Orientierung der Materialeigenschaften der Verbundplatten bestimmt. Daher wurde der Laminataufbau in Abhängigkeit von der Laminatdicke der Einzelschicht so gewählt, dass eine Prüfkörperdicke von 3 mm bis 4 mm gefertigt werden konnte. Gleichzeitig wurde ein quasi-isotropes Materialverhalten realisiert. Dabei wurden die unterschiedlichen Bindungsarten der Gewebe für Glas- und Kohlenstofffasern berücksichtigt. Zur Berechnung wurde das Laminatdimensionierungstool LamiCens verwendet. Laminataufbau GFK: Laminataufbau CFK: 12 Lagen Glasfasergewebe Aero 296 g/m², Atlasbindung, [0/45/-45/90/45/0] symmetrisch 12 Lagen Kohlenstofffasergewebe Aero 200 g/m², Leinwandbindung, [0/0/45/45/45/0] symmetrisch Prüfkörperfertigung Die Prüfkörperfertigung erfolgte im Wesentlichen in zwei Schritten. Zunächst wurden je zwei Verbundplatten der jeweiligen Materialkombinationen handlaminiert. Aus diesen Verbundplatten konnten für jede Prüfungsart die entsprechenden Prüfkörper gesägt werden. Die für die Zug- und Druckprüfung vorgeschriebenen Aufleimer wurden auf die Prüfkörper mit dem Kleber E aufgeklebt. Die Verbundplatten mit den Härtern EPH294 und EPH295 wurden entsprechend der Verarbeitungsvorschriften getempert. Damit der Einfluss der laminierenden Person auf das Laminierergebnis gering gehalten werden kann, wurde jeweils ein Fasermaterial ausschließlich von einer Person verarbeitet. Fertigung durch: Laminieren GFK-Verbundplatten, Thomas Schöndube, Student WHZ Laminieren CFK-Verbundplatten, Kristin Arnhold, Studentin WHZ Sägen Prüfkörper Druck-, 3-Punkt-Biege-, Charpy-Schlagzähigkeitsprüfung, Dipl.-Ing. Bertram Eversmann Sägen Prüfkörper Zugprüfung und Kleben Aufleimer, Dipl.-Ing. Oliver Hecht Tempern: EPH294, 10 Stunden bei 70 C EPH295, 15 Stunden bei 80 C Dezember 2008 Seite 1 von 5

3 Schnittplan Verbundplatte 250 mm x 200 mm: 10,00 15,00 0 Prüfkörper Druck 110,00 Prüfkörper Charpy-Schlagzähigkeit Prüfkörper 3-Punkt-Biegung 80,00 Dezember 2008 Seite 2 von 5

4 Schnittplan Verbundplatte 350 mm x 300 mm: 0 Prüfkörper Zug 250,00 Dezember 2008 Seite 3 von 5

5 Faservolumenanteil Die Bestimmung des Faservolumenanteils erfolgte rechnerisch über die Ermittlung der Gewichte der Faserzuschnitte, der Gewichte der laminierten Verbundplatten und der Dichten von Fasern und Matrices. Dabei wird zunächst der Fasermassenanteil aus den Gewichten der Fasern und der Verbundplatten ermittelt. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dichten der verwendeten Materialien berechnet sich im zweiten Schritt der Faservolumenanteil. Diese Vorgehensweise wird gewählt, da die Bestimmung des Faservolumenanteils durch Veraschung oder naßchemische Extraktion nicht realisiert werden konnte. Daher sind die ermittelten Werte als Anhaltswerte und nicht als exakte Werte für den Faservolumenanteil anzusehen. GFK: Vergleich Faservolumenanteile 40 Vergleich der Faservolumenanteile GFK Faservolumenanteil in % L + EPH 294 L + EPH 295 L + EPH 500 L + S L + wasserklar Kombination Harz + Härter Dezember 2008 Seite 4 von 5

6 CFK: Vergleich Faservolumenanteile 50 Vergleich der Faservolumenanteile CFK Faservolumenanteil in % L + EPH 294 L + EPH 295 L + EPH 500 L + S L + wasserklar Kombination Harz + Härter Dezember 2008 Seite 5 von 5

7 Symbolverzeichnis Symbol Bezeichnung Einheit Prüfkörper b Breite mm h Dicke mm Zugprüfung E t Zug-E-Modul MPa σ M Zugfestigkeit MPa ε M Dehnung bei Zugfestigkeit % σ B Bruchspannung MPa ε B Bruchdehnung % ε tb Nominelle Dehnung bei Bruch % 3-Punkt-Biegung E f Biege-E-Modul MPa σ fm Biegefestigkeit MPa ε fm Randfaserdehnung bei % Biegefestigkeit σ fb Biegespannung bei Bruch MPa ε fb Biege-Bruchdehnung % L V Auflagerabstand mm Druckprüfung E c Druck-E-Modul MPa σ cm Druckfestigkeit MPa S 0 Querschnitt Prüfkörper mm² L 0,SW Meßlänge mm Charpy-Schlagzähigkeit a cu Charpy-Schlagzähigkeit kj/m² Allgemein F max Kraftmaximum N Statistik arithmetischer Mittelwert, gerundet - s Standardabweichung - ν Variationskoeffizient - Dezember 2008 Seite 1 von 1

8 Auswertung Zugprüfung Die Prüfung und Auswertung erfolgte in Anlehnung an die Prüfnorm DIN EN ISO Als Ergebnisse werden der Zug-E-Modul und die Zugfestigkeit dargestellt. Zur besseren statistischen Absicherung wurden der kleinste und der größte Meßwert bei der Auswertung nicht berücksichtigt. GFK: Vergleichendes Ergebnis Zug-E-Modul E t Vergleich CFK: Zug E Modul E t Zug E Modul E t in MPa Dezember 2008 Seite 1 von 4

9 Vergleichendes Ergebnis Zugfestigkeit σ M Vergleich GFK : Zugfestigkeit σ M Zugfestigkeit σ M in MPa Dezember 2008 Seite 2 von 4

10 CFK: Vergleichendes Ergebnis Zug-E-Modul E t Vergleich CFK: Zug E Modul E t Zug E Modul E t in MPa Dezember 2008 Seite 3 von 4

11 Vergleichendes Ergebnis Zugfestigkeit σ M Vergleich CFK: Zugfestigkeit σ M Zugfestigkeit σ M in MPa Dezember 2008 Seite 4 von 4

12 Auswertung Druckprüfung Die Prüfung und Auswertung erfolgte in Anlehnung an die Prüfnorm DIN EN ISO Als Ergebnisse werden der Druck-E-Modul und die Druckfestigkeit dargestellt. Zur besseren statistischen Absicherung wurden der kleinste und der größte Wert für die Druckfestigkeit, mit Ausnahme der Materialkombination CF+L+Härter S, bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Da bei der Bestimmung des Druck-E-Moduls nicht für alle Materialkombinationen 10 Prüfkörper meßtechnisch ausgewertet werden konnten, wurden mindestens 6 bis maximal 8 Prüfkörper pro Materialkombination für die Ergebniserstellung verwendet. Dabei wurde nach Möglichkeit das Ausschlussverfahren des kleinsten und größten Meßwertes angewendet. Die detailierte Auflistung der Meßergebnisse ist den jeweiligen Prüfprotokollen zu entnehmen. GFK: Vergleichendes Ergebnis Druck-E-Modul E c Vergleich GFK: Druck E Modul E c Druck E Modul E c in MPa Dezember 2008 Seite 1 von 4

13 Vergleichendes Ergebnis Druckfestigkeit σ cm 126 Vergleich GFK: Druckfestigkeit σ cm Druckfestigkeit σ cm in MPa Dezember 2008 Seite 2 von 4

14 CFK: Vergleichendes Ergebnis Druck-E-Modul E c Vergleich CFK: Druck E Modul E c Druck E Modul E c in MPa Dezember 2008 Seite 3 von 4

15 Vergleichendes Ergebnis Druckfestigkeit σ cm 210 Vergleich CFK: Druckfestigkeit σ cm Druckfestigkeit σ cm in MPa Dezember 2008 Seite 4 von 4

16 Auswertung 3-Punkt-Biegeprüfung Die Prüfung und Auswertung erfolgte in Anlehnung an die Prüfnorm DIN EN ISO Als Ergebnisse werden der Biege-E-Modul und die Biegefestigkeit dargestellt. Zur besseren statistischen Absicherung wurden der kleinste und der größte Meßwert bei der Auswertung nicht berücksichtigt. GFK: Vergleichendes Ergebnis Biege-E-Modul E f Vergleich GFK : Biege E Modul E f Biege E Modul E f in MPa Dezember 2008 Seite 1 von 4

17 Vergleichendes Ergebnis Biegefestigkeit σ fm Vergleich GFK: Biegefestigkeit σ fm Biegefestigkeit σ fm in MPa Dezember 2008 Seite 2 von 4

18 CFK: Vergleichendes Ergebnis Biege-E-Modul E f Vergleich CFK : Biege E Modul E f Biege E Modul E f in MPa Dezember 2008 Seite 3 von 4

19 Vergleichendes Ergebnis Biegefestigkeit σ fm Vergleich CFK : Biegefestigkeit σ fm Biegefestigkeit σ fm in MPa Dezember 2008 Seite 4 von 4

20 Auswertung Charpy-Schlagzähigkeitsprüfung Die Prüfung und Auswertung erfolgte in Anlehnung an die Prüfnorm DIN EN ISO Zur besseren statistischen Absicherung wurden der kleinste und der größte Wert für die Charpy-Schlagzähigkeit bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Die Meßwerterfassung erfolgte vollständig mechanisch ohne elektronische Datenauswertung. Daher sind keine computerunterstützten Prüfprotokolle zur Darstellung der detailierten Meßergebnisse der Dokumentation beigefügt. GFK: GF+L+EPH294 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 9,98 4, , ,95 4, , ,96 4, , ,02 4, , ,27 13,5 316, ,04 4, , ,69 4, , ,97 4, , ,01 4, , ,43 4, ,190 Mittelwert: 308,005 kleinster Wert größter Wert Dezember 2008 Seite 1 von 7

21 GF+L+EPH295 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,21 3, , ,2 3, , ,18 3,99 13,5 332, , , ,18 3, , ,14 3,9 13,5 341, ,18 3,89 13,5 340, ,16 4,01 12,5 306, ,16 3,99 13,5 333, ,22 4, ,238 Mittelwert: 332,915 kleinster Wert größter Wert GF+L+EPH500 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,13 4, , ,11 4,12 14,5 348, ,12 4, , ,98 4, , ,11 4, , ,12 4,33 16,5 376, ,14 4, , ,15 4, , ,13 4, , ,14 4, ,988 Mittelwert: 375,245 kleinster Wert größter Wert Dezember 2008 Seite 2 von 7

22 GF+L+S Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,17 3, , ,19 3, , ,21 3,87 15,5 392, ,21 3, , ,2 3, , ,23 3, , ,2 3, , ,19 3,85 14,5 369, ,28 3, , ,19 3, ,856 Mittelwert: 376,182 kleinster Wert größter Wert GF+L+wasserklar Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,24 3,74 14,5 378, ,22 3, , ,17 3, , ,21 3, , ,22 3, , ,25 3, , ,24 3, , ,22 3,77 14,5 376, ,18 3, , ,18 3,76 15,5 404,945 Mittelwert: 373,960 kleinster Wert größter Wert Dezember 2008 Seite 3 von 7

23 Vergleichendes Ergebnis GFK Vergleich GFK: Charpy Schlagzähigkeit a cu Charpy Schlagzähigkeit a cu in kj/m² Dezember 2008 Seite 4 von 7

24 CFK: CF+L+EPH294 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 9,92 2, , ,95 2,92 6,5 223, ,98 2,93 6,5 222, ,94 3,01 8,5 284, ,94 2, , ,84 2, , ,9 2, , ,95 3, , ,96 2, , ,94 2,97 7,5 254,050 Mittelwert: 242,071 kleinster Wert größter Wert CF+L+EPH295 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,21 2, , ,09 2,97 5,5 183, ,14 3,02 7,5 244, ,22 2, , ,2 2, , ,21 2, , ,18 2, , ,17 2,96 6,5 215, ,18 2, , ,98 2, ,797 Mittelwert: 240,226 kleinster Wert größter Wert Dezember 2008 Seite 5 von 7

25 CF+L+EPH500 Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,18 3, , ,16 3,18 8,5 263, ,15 3, , ,16 3, , ,2 3, , ,19 3, , ,03 3,08 8,5 275, ,19 3,19 9,5 292, ,07 3, , ,15 3, ,388 Mittelwert: 271,210 kleinster Wert größter Wert CF+L+S Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,13 3, , ,17 3, , ,08 3, , ,16 3,12 9,5 299, ,13 3,04 8,5 276, ,14 3, , ,19 3,04 10,5 338, ,18 3,08 9,5 302, ,17 3,14 9,5 297, ,17 3, ,319 Mittelwert: 288,661 kleinster Wert größter Wert Dezember 2008 Seite 6 von 7

26 CF+L+wasserklar Probennr. Breite b in mm Dicke h in mm korrigierte Arbeit (Messwert) in J Charpy Schlagzähigkeit in kj/m² 1 10,22 3,04 8,5 273, ,04 3, , ,18 3, , ,17 3, , ,15 3,04 5,5 178, ,12 2, , ,17 3, , ,12 2,98 5,5 182, , , , ,481 Mittelwert: 212,270 kleinster Wert größter Wert Vergleichendes Ergebnis CFK 350 Vergleich CFK: Charpy Schlagzähigkeit a cu 300 Charpy Schlagzähigkeit a cu in kj/m² Dezember 2008 Seite 7 von 7