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Einfluss der Temperatur auf das mechanische Schädigungsverhalten von Al-CFK-Hybridbauteilen und deren Komponenten

 
: Grossmann, Felix
: Herrmann, Hans-Georg; Jost, Hendrik

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-n-6211637 (13 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: b4a64864aef00c47d0f945bbd374fa99
Created on: 12.1.2021


Saarbrücken, 2020, 132 pp.
Saarbrücken, Univ., Master Thesis, 2020
German
Master Thesis, Electronic Publication
Fraunhofer IZFP ()

Abstract
Die Al-CFK-Hybridproben sowie das PPA-GF30 als thermoplastische Zwischenschicht und das CFK-Laminat wurden in dieser Arbeit im Hinblick auf das mechanische Verhalten und den generellen Schädigungsverlauf bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Dazu wurden quasistatische Zugversuche und Ermüdungsversuche mit in situ Thermografie und berührender Temperaturmessung bei 23 °C und 60 °C durchgeführt. Anschließend wurden Röntgenaufnahmen gemacht, um Prozesse und Schädigungen im Inneren der Probe sichtbar zu machen. Das thermoplastische PPA-GF30 weist bei höherer Temperatur ein weicheres und duktileres Materialverhalten auf. Dies spiegelt sich in Maximalkraft und Bruchverschiebung wider. Während der Rissausbreitung beim Versagen der Proben, ist in der Thermografie die Bildung von Wärme an der Bruchkante zu erkennen. Die schlechten Wärmeleitungseigenschaften des Thermoplasts tragen dazu bei, dass diese Wärme dort nur langsam abtransportiert wird und deshalb einen starken Kontrast zum kälteren Rest der Probe erzeugt. In den Ermüdungsversuchen ist bei der gewählten Prüffrequenz von 5 Hz eine starke Eigenerwärmung in kurzer Zeit zu verzeichnen. Diese ist so groß, dass sie zum vorzeitigen Probenversagen führt. Dieser Umstand macht den Thermoplast zu einer potentiellen Schwachstelle für das Hybridbauteil im Ermüdungsversuch. Die Bruchflächen der PPA-GF30-Proben in den quasistatischen Zugversuchen weisen sehr viele Faserpullouts auf – mehr als bei 23 °C. Unter ermüdender Belastung, weisen die Proben bei niedriger Temperatur einen klassischen Sprödbruch auf, der bei hoher Temperatur etwas duktiler wird. Das geht mit einer Zunahme von Faserpullouts einher. Die CFK-Proben zeigen in den quasistatischen Zugversuchen bei 23 °C sprödes Verhalten, welches bei höherer Temperatur etwas weicher wird. Bei 60 °C sind die Bruchverschiebungen ähnlich und die Maximalkraft etwas geringer. Das weiche Verhalten könnte damit zusammenhängen, dass der Glasübergang der CFK-Epoxidmatrix niedrig ist und bei 60 °C vermutlich fast erreicht wird. Die Thermografie zeigt ein höheres Delta T gegenüber den PPA-GF30-Proben an, wohingegen das Delta T innerhalb der CFK-Proben bei beiden Temperaturen etwa gleich groß ist. Um endgültig zu klären, weshalb sich die CFK-Proben in den Thermografiebildern leicht homogen erwärmen, sind weitere Test durchzuführen. Vermutlich handelt sich es dabei aber um Wärmetransportvorgänge, die innerhalb des Verbundwerkstoffes unterschiedlich schnell ablaufen. Die Bruchflächen zeigen bei 23 °C einen spröden Trennbruch, wie die PPA-GF30-Proben. Bei 60 °C weist die zerklüftete Bruchfläche längere Faserpullouts auf. In den 45°-Lagen ist ein lamellarer Bereich zu sehen, der auf Scherbelastung der Matrix hinweist. Auch hier ist ein Übergang zu einem weicheren Materialverhalten zu erkennen. In den Ermüdungsversuchen sind die CFK-Proben bei beiden Temperaturen Dauerläufer, was die ausgezeichneten Ermüdungseigenschaften von CFK unterstreicht. Die dynamischen Steifigkeiten liegen eng beieinander. Das Al-CFK-Hybridbauteil weist je nach Temperatur unterschiedliche Schädigungsmechanismen auf. Für die niedrigere Temperatur von 23 °C ist ein treppenförmiges Abfallen der Kraft-Verschiebungs-Kurve charakteristisch, was sich in der Thermografie ebenfalls als spontane Events zeigt. Zwischen zwei konsekutiven Bildern treten diese Events auf. Die Schädigungen, die dort zu sehen sind, reichen von Delaminationen und Rissen bis hin zum kompletten Ablösen des Thermoplastes vom Aluminium. Die Schädigungsinitiation, die im Kraft-Verschiebungs-Diagramm als kleiner Krafteinbruch kurz vor dem Maximum zu erkennen ist, vollzieht sich unterhalb des Einlegers im CFK-Laminat durch Delamination der Gewebelagen. Im weiteren Verlauf bilden sich immer mehr Delaminationen rund um die Einlegerarme und wachsen am Ende zusammen zu einer großen Delamination. Die Thermografie macht die Delamination besser sichtbar als optische Bilder. Die Röntgenbilder der Hybridproben eigenen sich sehr gut um das innenliegende Aluminium zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass das Aluminium in den quasistatischen Zugversuchen Deformationen der Einlegerarme aufweist, jedoch keine waren keine Risse ersichtlich. Bei 60 °C vollzieht sich der Schädigungsverlauf des Al-CFK-Hybrids langsamer und stetiger. Die Schädigung geschieht größtenteils über einen längeren Zeitraum und kann nicht von zwei konsekutiven Frames abgebildet werden. Um die Ausmaße der Schädigung zu erfassen, müssen daher Thermogramme zu Anfang und Ende des Versuchs verglichen werden. Diese Änderung des Schädigungsmechanismus ist wahrscheinlich bedingt durch das Erweichen der Polymere bei höherer Temperatur. In den Versuchen an den Einzelkomponenten PPA-GF30 und CFK war zu erkennen, dass beide bei höherer Temperatur ein weicheres Verhalten aufweisen. Diese Tendenz überträgt sich auf die Hybride. Das Epoxid erreicht bei 60 °C fast seine Glasübergangstemperatur. Außerdem zeigt die Thermografie dann einen besseren Kontrast durch die größere, thermische Energie der Proben, die bei der höheren Temperatur zur Verfügung steht. Hinzu kommt, dass die Risse der Hybride bei 60 °C eine negative Temperaturdifferenz aufweisen im Gegensatz zu den Einzelkomponenten. Das lässt darauf schließen, dass im Hybrid andere Mechanismen ablaufen, als in den Einzelkomponenten. Der Aluminium-Einleger deformiert sich stärker als in den 23 °C-Versuchen. In den vorherigen Ermüdungsversuchen an den Einzelkomponenten wurde festgestellt, dass die CFK-Proben Dauerläufer sind und in den PPA-GF30-Proben eine signifikante Temperaturerhöhung gemessen wurde, die zum vorzeitigen Probenversagen führt. Die dynamische Steifigkeit der Al-CFK-Hybridproben, die unter Ermüdungsbelastung getestet wurden, verläuft in drei Stadien. Am Anfang ist eine starke Abnahme der dynamischen Steifigkeit zu verzeichnen. Im Anschluss festigt sie sich auf einem konstanten Niveau und nimmt gegen Ende der Lebenszeit wieder stark ab, bis die Probe schließlich bricht. Die Schädigung manifestiert sich in Rissen im CFK-Laminat, die um den Metalleinleger herum verlaufen. Ein Grund dafür könnte die starke, mechanische Reibung zwischen umspritztem Einleger und CFK-Laminat sein. Die Zyklenanzahl bewegt sich im Zeitfestigkeitsbereich und ist damit zwischen CFK (Dauerläufer) und PPA-GF30 (Kurzzeitfestigkeit) einzuordnen. Bei 23 °C ist die Zyklenanzahl etwas höher als bei 60 °C, liegt aber noch in derselben Dimension. Die Temperatur in den Proben erhöht sich laut Temperaturmessfühler insbesondere kurz vor dem Versagen signifikant. Zum einen ist die starke Erwärmung des PPA-GF30 ein Grund, welches dazu beitragen könnte, dass die niedrige Glasübergangstemperatur der Epoxidmatrix noch eher er-reicht wird. Zum anderen wird beim Öffnen der „CFK-Tasche“ mechanische Reibung zwischen dem Einleger und dem CFK-Laminat erzeugt, die wiederum Energie in Wärmeform dissipiert. Auf Basis dieser berührend gemessenen Temperaturerhöhung kann das Lebensende des Bauteils bis auf ca. 15 min vorher antizipiert werden. Die Röntgentaufnahmen konnten Risse im Aluminium und auch im Thermoplast bei 23 °C nachweisen. Auch die Einlegerarme haben sich minimal deformiert. Dadurch ist ein Luftspalt zwischen Einleger und Laminat entstanden. Die Temperaturerhöhungen der berührenden Temperaturmessung waren teilweise nicht so konsistent wie die der thermografischen Messungen, da insbesondere in den Dauerschwingversuchen die Anhaftung der Temperaturfühler mit Klebeband problematisch war. Es muss sichergestellt werden, dass jederzeit der Kontakt zwischen Messfühler und Messobjekt besteht. Je nach Mess-Setup und Komplexität der Probengeometrie gestaltet sich dies jedoch schwierig. In Anbetracht dessen ist die Thermografie der berührenden Messung vorzuziehen. Wenn die Möglichkeit besteht beide Messverfahren zu nutzen, bzw. einzelne Probenstellen genauer untersucht werden sollen, können sich diese Verfahren aber gegenseitig verifizieren. Die Lock-In Thermografie kann im Ermüdungsversuch verschiedene Informationen bereitstellen. Das Phasenbild gibt unabhängig von Topografie und Ausleuchtung der Probe einen guten Überblick über die Delaminationsfläche der Hybride. Das Amplitudenbild kann Aufschluss über den Schweregrad der Schädigung geben, dies ist analog zu den Differenzbildern zu sehen. Allerdings stammen die Informationen aus der Lock-In-Thermografie aus einem kleineren Zeitfenster und sind deswegen weniger anfällig für z.B. Temperaturschwankungen während des Versuchs. Speziell für diese Materialkombination von Metall und Kunststoff ergänzt die Röntgentomografie die Thermografie perfekt durch zusätzliche Tiefeninformationen. Durch den großen Unter-schied in der Kernladungszahl ist der Alu-Einleger stark kontrastiert von Thermoplast und CFK-Laminat. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die zerstörungsfreien Prüfverfahren, insbesondere hier die Thermografie, einen deutlichen Mehrwert an Informationen aus den zerstörenden Prüfungen mitnehmen kann. Sie zeigen, dass die Temperatur einen Einfluss auf das mechanische Verhalten der Al-CFK-Hybride hat. Einzelne Events im Kraftverschiebungs-Diagramm können durch die Korrelation von Thermografie- und Mechanikdaten mit zusätzlichen Informationen versehen werden. Des Weiteren besticht die Thermografie durch ihre integrale Messweise gegenüber der berührenden Temperaturmessung, die vor allem bei dieser flächigen Probengeometrie ihren Vorteil ausspielt. Gerade in qualitativen Messungen, wo Emissionsgrade nur eine untergeordnete Rolle spielen, punktet die Thermografie durch schnelles und berührungsloses Messen. Nachgelagert ergänzt die Röntgentomografie die Thermografie mit Informationen über innenliegende Schäden, sodass ein Maximum an Informationen aus den Versuchen gezogen werden kann. Die eingangs aufgeworfene Fragestellung, welchen Einfluss die hohe Temperatur auf die Al-CFK-Hybride und deren Komponenten hat, konnte in dieser Arbeit mithilfe zerstörungsfreier Prüfverfahren detailliert erläutert werden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-621163.html