Nichtlinearer Ultraschall zur Charakterisierung von Ermüdungsschäden während der Hochfrequenz-Beanspruchung von C-Faser-Kunststoffverbunden

Die Auslegung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erfolgt immer noch konservativ mit einem hohen Sicherheitsfaktor, da bis heute das Wissen bezüglich des Ermüdungsverhaltens solcher Materialien unvollständig ist. In dieser Arbeit wird das Hochfrequenzermüdungsverhalten eines kommerziell erhältlichen CFK überwacht und analysiert. In einem 3-Punkt-Biegeversuch wurden die Proben mit einer Beanspruchungsfrequenz von f = 20,26 kHz bei einem Projektpartner ermüdet. Die Schwingungsanregung bei der Beanspruchungsfrequenz wird simultan zur zerstörungsfreien Ultraschall-Überwachung des Ermüdungsprozesses verwendet (Online-Charakterisierung). Die gemessenen Ultraschallzeitsignale werden mit den spektralen Analyseverfahren Fourier-, Kurzeit-Fourier- und Hilbert-Huang-Transformation ausgewertet und analysiert. Im Ausgangszustand sowie nach der Beanspruchung erfolgt eine zerstörungsfreie Material¬ charakterisierung (Offline-Charakterisierung). Oberflächennahe Fehler werden mittels optischer Mikroskopie untersucht. Zur inneren Fehlerlokalisierung im mm-Bereich findet die Ultraschallfehlerprüfung Verwendung. Zur Detektion von Rissen im pm-Bereich wird die Röntgencomputertomografie eingesetzt. Die Korrelation der Ergebnisse liefert Hinweise zu Art und Zeitpunkt der Entstehung von Ermüdungsschäden. Ein wahrscheinlicher Schadensablauf bei der Ermüdung lässt sich mit Hilfe der Online-Signale und der Offline- Prüfung rekonstruieren.