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Hybride Werkstoffe Hybridbauweise schützt vor schlagartigem Versagen

| Autor / Redakteur: Jörg Schmütz und Marko Kafadaroglu / Peter Königsreuther

Im Werkstoffverhalten von faserverstärkten Bauteilen und Hybridkomponenten gibt es Unterschiede. Jedoch existierte bisher keine tief gehende Abhandlung darüber. Welches Potenzial aber in Werkstoffhybriden schlummert, zeigt nun dieser Forschungsbericht.

Reine Faserverbundbauteile halten zwar sehr viel aus, aber wenn die zulässige Belastbarkeit überschritten wird, dann geht ein Bauteil schlagartig zu Bruch.
Reine Faserverbundbauteile halten zwar sehr viel aus, aber wenn die zulässige Belastbarkeit überschritten wird, dann geht ein Bauteil schlagartig zu Bruch.
(Bild: © Nordreisender - Fotolia)

In diesem Forschungsbericht wird das Versagensverhalten hybrider Werkstoffe mit dem Eigenschaftsbild des jeweiligen artverwandten Faserverbundwerkstoffes verglichen, um so ein besseres Verständnis der technologischen Einsatzmöglichkeiten und der Belastungsgrenzen dieser Werkstoffe zu erhalten. Betrachtet wird dabei jeweils carbon- und glasfaserverstärkter Kunststoff mit und ohne metallische Phase. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) finden heute in einer weiten Bandbreite von Produkten, beginnend mit Luftfahrzeugen über Rotoren von Windkraftanlagen bis hin zu hochwertigen Sportartikeln, ihre Einsatzgebiete.

Reine FVK versagen bei Überlastung katastrophal

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten ein überlegenes Verhältnis von ihrem Gewicht zur Zugfestigkeit, das von keinem anderen Konstruktionswerkstoff erreicht wird. Wenn jedoch die eingebetteten Faserbündel unter Last reißen, breiten sich die Risse mit zunehmender Geschwindigkeit entlang des Bauteils aus und führen zu einem katastrophalen Versagen. Zusätzlich ist die Dehnungsfähigkeit unter Last nur bis auf wenige Prozent der ursprünglichen Länge des Bauteils begrenzt.

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Hybride Materialien, mit eingebetteten metallischen Lagen, weisen im Vergleich zu reinen Faserverbundwerkstoffen außerdem ein gänzlich unterschiedliches Verhalten auf: Versagen die Faserbündel, wechselt der Lastpfad in die metallische Phase, deren Dehnungsvermögen weitaus größer ist als das des umgebenden Faserverbundmaterials. Aufgrund hoher Produktionskosten kommen hybride Materialien aus einem faserverstärkten Kunststoff mit Metalllagen jedoch nur in sehr wenigen, speziellen Produkten zum Einsatz, wie beispielsweise an Flügelkanten oder Cockpitverkleidungen von Flugzeugen, die bei Steinschlag besonders exponiert sind.

Die mechanischen Eigenschaften wurden mithilfe einer Zugprüfeinrichtung des Herstellers Zwick-Roell mit einer maximalen Zugkraft von 50 kN untersucht. Bei einem mehrphasigen Werkstoff zeichnete die Zugprüfeinrichtung die Spannung über der Dehnung auch noch nach dem Versagen der ersten Phase (beispielsweise des Faserverbundwerkstoffs) auf, sodass auch das Dehnungsverhalten einer darin eingebetteten duktileren Materialphase voll erfasst wurde.

Die Herstellung der Zugproben erfolgte in einem zweistufigen Prozess: Zunächst wurden größere Platten des gewünschten Materials gefertigt, um dann kleinere Streifen von 12 mm × 130 mm aus diesen Platten herauszutrennen.

Duktile Zwischenphasen dämpfen Schadensverlauf

Es kamen unidirektionale Carbonfasern (250 g/m²) oder unidirektionale Glasfasern (220 g/m²) zum Einsatz, die auf einer wärmeresistenten Folie mit Harz und Härter getränkt wurden (Harz Viscovoss N55S und Härter MEKP FL505G). Anschließend wurde das Laminat mit einer weiteren Folie abgedeckt und zum Aushärten unter gleichmäßigem Druck in einen Ofen gegeben. Folien und überschüssiges Harz wurden nach dem Aushärten vorsichtig entfernt. Der Zuschnitt der Proben erfolgte mithilfe einer speziellen Schere für Fasermaterialien. Durch visuelle Kontrolle wurde dabei sichergestellt, dass die äußeren Faserbündel unbeschädigt waren.

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