Gezielte Erzeugung mikroskopischer Schädigungsarten von Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit Schallemissionsanalyse

Eine der größten Herausforderungen hinsichtlich der industriellen Anwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) stellt das komplexe Versagensverhalten des Werkstoffs dar, da unter mechanischer Belastung eine Vielzahl von unterschiedlichen mikroskopischen Schadensmechanismen auftritt. Hierdurch werden oftmals erhebliche Materialpuffer verwendet, die dem enormen Leichtbaupotential entgegenwirken. Die Initialisierung einer jeden Schädigung ist mit der Entstehung und Abstrahlung einer elastischen Welle verbunden, die für jeden Schadensmechanismus charakteristisch ist und daher als Fingerprint der Schädigung betrachtet werden kann. Die sogenannte Schallemissionsanalyse stellt daher für die Untersuchung des Bruchverhaltens von CFK-Bauteilen eine geeignete Methode dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau einer mikromechanischen Prüfvorrichtung vorgestellt, mit der verschiedene mikroskopische Schadensmechanismen von CFK-Materialien mit Hilfe von Modell-Verbunden gezielt einzeln erzeugt werden und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse ausgewertet werden. Der Ansatz ermöglicht die Erzeugung und Analyse eines Faserbruchs, eines Faserauszugs (samt Faser-Matrix-Debonding) sowie eines Matrixrisses. Die aufgezeichneten Schallemissionssignale der unterschiedlichen Schadensmechanismen werden erstmals als Volumenwellen detektiert und deren reflexionsfreier Teil im Zeit- und Frequenzraum auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede hin untersucht. Außerdem können die einzelnen Schädigungsarten optisch (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie) und anhand ihrer Kraft-Weg-Signale charakterisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Kohlenstofffaser/Epoxidharz-Kombination angewendet. Die mikromechanischen Eigenschaften der sich zwischen Faser und Matrix ausbildenden Interphase können durch die Variation der Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffaser und des Aushärtezyklus des Epoxidharzes gezielt verändert und mit Hilfe von Einzelfaserauszugstests interpretiert werden. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Entwicklung und Umsetzung des Einzelfaserfragmentierungstests, ebenfalls gestützt durch die Schallemissionsanalyse. Die verschiedenen Schadensmechanismen sollen anhand ihrer charakteristischen Gemeinsamkeiten lokalisiert und identifiziert werden. Dabei ist es möglich, den Einfluss der Aushärtetemperatur des Epoxidharzes auf die thermischen Spannungen der eingebetteten Kohlenstofffaser und die Folge für den Ablauf des Einzelfaserfragmentierungstests darzustellen.One of the main challenges concerning the industrial application of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is the complex failure behaviour of this class of materials, especially the occurence of several microscopic types of failure in the material under mechanical loading. As a consequence, there exists a large contradiction between a huge material buffer and the lightweight potential. Each failure mechanism is accompanied by a respective excitation of an elastic wave, so that the recorded acoustic emission signal is kind of a fingerprint of each failure type. The acoustic emission analysis is a powerfull tool to investigate the fracture behaviour of CFRP materials. In the following, the experimental setup of a micromechanical test stage is presented, which was constructed to allow the manufacturing of different microscopic failure types in CFRP materials by using single fiber compounds and a direct correlation to the excited acoustic emission signals. In the micromechanical test stage, a realization and analysis of fiber breakage, fiber pull-out (including fiber-matrix-debonding) and matrix cracking is possible. The acoustic emission signals are recorded as bulk waves, where a small observation window of the primary acoustic emission signal is free of reflections and can be investigated concerning similiarities and differences in the time and the frequency domain. The individual failure types are also analysed by optical means (light microscopy and scanning electron microscopy) and by the related force-displacement curves. In this work, the combination of a carbon fiber and an epoxy matrix is used. The mechanical properties of the fiber-matrix-interphase are altered by a variation of the surface treatment of the fiber and the curing cycle of the epoxy resin, which can be interpreted by single-fiber pull-out-tests. A further essential part of this work is the development and implementation of the single-fiber fragmentation test and a direct correlation to the respective acoustic emission signals. The certain failure mechanisms are localized and identified according to similar characteristics in acoustic emission signals. It is possible to show the influence of the curing temperature on the thermal stresses inside the embedded fiber and its consequences for the single-fiber fragmentation test