Hybridbauweise schützt vor schlagartigem Versagen

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Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich 8

Für die hybriden Proben wurden Zwischenlagen aus Aluminium in das jeweilige Fasermaterial eingebettet (Blechstreifen aus AlCu4MgSi mit einer Dicke von 0,45 mm). Um eine fehlerfreie Lamination zu gewährleisten, wurde die bestehende Aluminiumoxidschicht mit einer Metallbürste entfernt. Ansonsten erfolgte das Laminieren und Aushärten der hybriden Proben (GFK mit Aluminium und CFK mit Aluminium) in gleicher Weise wie bei den herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen. Das letzte Bild skizziert den Querschnitt der Proben sowie deren äußere Abmessungen. Die freie Einspannlänge in den Zugversuchen beträgt jeweils 100 mm. Um ein sicheres Einspannen im Zugversuch zu gewährleisten, wurde eine Probenlänge von 130 mm definiert.

Versagensverhalten ist relativ gut zu prognostizieren

Wird das zweilagige CFK bis zum Versagen in Faserlängsrichtung belastet, so verhält sich die Spannung im Querschnitt annähernd proportional zur anliegenden Zugkraft. Erreicht der Verbund seine Zugfestigkeit, bricht zunächst die Matrix quer und längs zur Faserrichtung auf. Sobald erste Faserbündel unter dieser Last reißen, vergrößert sich die Belastung der verbleibenden Faserbündel schlagartig, die dann ebenfalls nachgeben. Das führt quasi zum sofortigen katastrophalen Versagen der Probe beziehungsweise eines realen Bauteils im Einsatz.

Die erste Kurve zeigt die Spannung im Ausgangsquerschnitt über der Dehnung, bezogen auf die ursprüngliche freie Länge der Probe. Das Versagensverhalten ist trotz des manuellen Laminierprozesses gut vorhersagbar. In diesem Beispiel liegt bei allen drei Proben eine Zugfestigkeit von mehr als 1700 N/mm² für den zweilagigen CFK vor. Die Bruchdehnung erreicht dabei Werte zwischen 4 und 4,5 %.

Durch Hinzufügen einer duktilen Aluminiumphase ändern sich das Versagensverhalten und die Festigkeit signifikant, wie die Kurve rechts daneben zeigt: Im Zugversuch übernehmen zunächst die Fasern den größeren Anteil der Last, während die Aluminiumzwischenlage proportional mitgedehnt wird. Reißen die Faserbündel, so wechselt der Lastpfad schlagartig in die weichere Aluminiumphase, die nach dem Versagen der Fasern noch intakt ist. Bei einer entsprechend niedrigeren Spannung von circa 200 N/mm² wird dann die Zwischenlage aus Aluminium bis zu ihrem Bruch gedehnt.

Textile Faserbündel spleißen während des Versagens auf

In jedem Wiederholungsversuch wurden sehr große Bruchdehnungen zwischen 12,5 und 15 % festgestellt. Bedingt durch die geringere mechanische Festigkeit der Aluminiumphase sowie den vergrößerten Probenquerschnitt, ist bei diesen Proben die Spannung beim Versagen der Fasern mit etwas mehr als 700 N/mm² geringer als bei einem Probekörper, der aus reinem Faserverbundwerkstoff besteht.

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