Schädigungscharakterisierung an Faser-Kunststoff-Verbunden im Schwingversuch mittels Röntgenrefraktionstopographie unter Berücksichtigung der Matrixeigenschaften
Müller, Alexander
In the present thesis different epoxy resin systems were characterized. Two systems with different fracture mechanical properties were selected for the production of equivalent GFRP and CFRP laminates with fiber orientations in 0/90° and ±45°. These laminates were examined for their damage onset and their damage evolution characteristics in tensile tests and fatigue tests with a stress ratio of R = 0.1. The detection of damage and the recording of damage evolution were implemented on the basis of light absorption analysis on GFRP laminates and on the basis of X-ray refraction analysis on CFRP laminates. This is how influences of the fracture mechanic properties of the matrix on the evolution of damage in the composite could be demonstrated. In addition, the damage limits for fatigue load were determined for the laminates tested. On the basis of performed fatigue tests on CFRP laminates in the Very High Cycle Fatigue-(VHCF)-range up to 108 cycles, conclusions could be drawn from the damage behavior in the High Cycle Fatigue-(HCF)-range up to 106 cycles on the fatigue strength in the VHCF-range. Thus, VHCF fatigue limits were determined. Aiming at expressing the fatigue of the laminates with the stress in the matrix, the extended inverse laminate theory, micromechanical-based rules of mixture and a comparative stress hypothesis were applied to the investigated laminates. The damage limits could thus be reproduced in the form of matrix stress. By using a normalized matrix-specific master damage line, the display of the fatigue of various laminates could be achieved with only slight limitations for the tested CFRP and GFRP laminates.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Epoxidharzsysteme charakterisiert. Zwei Systeme mit großen bruchmechanischen Unterschieden wurden zur Fertigung äquivalenter GFK- und CFK-Laminate mit Faserausrichtungen in 0/90° und ±45° ausgewählt. In quasi-statischen Zugversuchen und Einstufenschwingversuchen mit einem Beanspruchungsverhältnis von R= 0,1 wurden diese Laminate hinsichtlich ihres Schädigungsbeginns und ihrer Schädigungsentwicklung untersucht. Die Detektion der Schädigungen sowie die Dokumentation der Schädigungsentwicklung wurde anhand der Lichtabsorptionsanalyse an GFK-Laminaten und anhand der Röntgenrefraktionsanalyse an CFK-Laminaten umgesetzt. Auf diese Weise konnten Einflüsse der bruchmechanischen Eigenschaften der Matrix auf die Schädigungsentwicklung im Verbund aufgezeigt werden. Zudem wurden für die untersuchten Laminate die Schädigungsgrenzen bei schwingender Beanspruchung ermittelt. Anhand durchgeführter Schwingversuche an CFK-Laminaten im Very High Cycle Fatigue-(VHCF)-Lastwechselbereich bis 108 konnten Rückschlüsse vom Schädigungsverhalten im High Cycle Fatigue-(HCF)-Lastwechselbereich bis 106 auf die Dauerfestigkeit im VHCF-Bereich gezogen werden und damit VHCF-Dauerfestigkeitsgrenzen bestimmt werden. Mit dem Ziel die Ermüdung der Laminate auf die Beanspruchung der Matrix zurückzuführen, wurden die Erweiterte Inverse Laminattheorie, mikromechanikbasierte Mischungsregeln sowie eine Vergleichsspannungshypothese auf die untersuchten Laminate angewendet. Die Schädigungsgrenzen konnten damit in Form der Matrixbeanspruchung wiedergegeben werden. Die Abbildung der Ermüdung verschiedener Laminate anhand einer matrixspezifischen normierten Masterschädigungslinie ist für die behandelten CFK- und GFK-Laminate gelungen.
