Effect of post-curing on the fracture toughness of fiber reinforced polymer laminates and in-depth analysis of the delamination process using acoustic emission analysis

Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) finden Anwendung in Bereichen, in denen eine Leichtbaukonstruktion in Kombination mit hoher Steifigkeit und Festigkeit gefordert ist. Da Delamination eine der häufigsten Versagensarten bei FVK-Laminaten ist, sind präzise Modelle für interlaminare Schädigung unerlässlich. In dieser Masterarbeit wird das Delaminationsverhalten von glasfaserverstärkten (GF-) und kohlefaserverstärkten (CF-) Laminaten verglichen, die mit einem gleichwertigen Epoxidmatrixsystem hergestellt wurden. Dadurch kann der Einfluss der Faserart isoliert betrachtet werden. Die Bruchzähigkeit im Mode I wurde mittels Double-Cantilever-Beam-Tests gemessen, um die Initiierungs- und Ausbreitungswerte zu ermitteln. Die Bruchzähigkeit im Mode II wurde mithilfe von End-Notched-Flexture-Tests bestimmt, um die Initiierungswerte zu ermitteln. Beide Versuche wurden gemäß etablierter Normen durchgeführt. Die Auswirkungen der Nachhärtung wurden anhand von FVK-Proben bewertet, die entweder eine Stunde lang bei 120 °C in einer Presse nachgehärtet oder nicht nachgehärtet wurden. Die Auswirkungen auf die Glasübergangstemperatur (Tg) wurden mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie und Dynamischer-Mechanischer-Analyse untersucht. Mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie wurden Schädigungsmechanismen an Bruchflächen identifiziert und anschließend mit der Clusteranalyse der Schallemission (SE) korreliert. Es wurden drei Schädigungsmechanismen beobachtet: Matrixbruch, Faserbruch und Ablösung der Fasern von der Matrix. Beide Materialien zeigten für alle Prüfverfahren und Aushärtungsbedingungen konsistente Trends. Die Nachhärtung erhöhte die Tg beider Fasertypen um ~20 °C und steigerte zudem die Bruchzähigkeit. Die Initiierungswerte wurden bei beiden Fasertypen um den Faktor ~1,4 erhöht, die Ausbreitungswerte wurden jedoch nicht signifikanten beeinflusst. Die Bruchzähigkeit im Mode II stieg nicht signifikant an. Der Vergleich der Fasertypen ergab ähnliche Trends, unabhängig vom Nachhärtungszustand. GFK wies höhere Bruchzähigkeitswerte auf als CFK. Die aus Mode I Versuchen ermittelten GFK-Initiierungswerte Gc sind etwa 1,3-mal höher als die von CFK, und die Ausbreitungswerte sind etwa 2,7-mal höher, unabhängig vom Nachhärtungszustand. Der Vergleich mit den Gc-Werten für Mode II zeigt größere Unterschiede. Die Werte ohne Nachhärtung sind bei GFK neunmal höher und bei CFK fünfmal höher. Im nachgehärteten Zustand verringerten sich diese Verhältnisse auf 7 bzw. 4. Die SE-Clusteranalyse lieferte für den CFK bessere Ergebnisse, da weniger SE-Signale erzeugt wurden, was zu einer besseren Clustertrennung führte. Die große Anzahl von Datenpunkten und das Zusammenwachsen der GFK Messcluster führten jedoch zu instabilen Grenzen, die sich mit jeder Berechnungsiteration verschoben.