Arbeitsgruppe
Das globale Versagen von Faserverbundwerkstoffen erfolgt durch Akkumulation elementarer Versagensprozesse wie Faserbruch, Matrixbruch sowie Grenzflächenversagen. Um Festigkeit beziehungsweise Lebensdauer von Faserverbundwerkstoffen einschätzen zu können, ist es erforderlich, die elementaren Versagensprozesse hinsichtlich der Energiedissipation und Spannungsumlagerung zu analysieren. Hierzu wird der Versagensprozess anhand von Modellen experimentell und theoretisch untersucht. Wesentlich wird der Versagensprozess durch die kritischen Energiefreisetzungsraten der Grenzfläche Faser/Matrix, der Matrix selbst sowie der Reibung in den Grenzflächen beeinflusst. Weiterhin spielen herstellungsbedingte Eigenspannungen infolge des Abkühlungs- bzw. Aushärtungsprozesses eine Rolle hinsichtlich der Energiedissipation bei der Rissausbreitung.
Der Versagensprozess in Faserverbundwerkstoffen wird häufig durch einen von einer Fehlstelle auf der Faseroberfläche ausgehenden Faserbruch ausgelöst. Abhängig von den jeweiligen Bruchzähigkeiten erfolgt gleichzeitig mit dem Faserbruch ein Matrix- oder Grenzflächenriss bzw. eine Kombination von beiden. Derartige elementare Versagensprozesse können anhand von Modellexperimenten, so genannten Fragmentation Tests, beobachtet werden, transparente Matrix vorausgesetzt.
Um eine Einschätzung der von den jeweiligen Brucharten freigesetzten Energien zu erhalten, wurde der Faserbruch mit simultan entstehenden radialen Matrix Rissen unterschiedlicher Ausdehnung mit Hilfe der Finite Element Methode analysiert. Erwartungsgemäß nimmt die freigesetzte Energie mit zunehmender Matrixrisslänge zu (Bild 1). Da allerdings die Bruchzähigkeit der Matrix im Allgemeinen wesentlich höher als die der Faser ist, verringert sich der - in kinetische Energie - umgewandelte Energieüberschuss. Die Rechnungen zeigen, dass der Faserriss ein hochgradig instabiler Prozess ist, der mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einem Matrixriss oder einem Aufreißen der Grenzfläche einhergeht, was durch mikroskopische Untersuchungen an Fragmentation Tests bestätigt wird.
Bild 1: Freigesetzte Energie beim Faser, Matrix und Grenzflächenriss (Großbild)
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