Carbon-Verbundwerkstoffe Versagensverhalten langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

Das Versagensverhalten von Carbon-Verbundwerkstoffen ist stark von der Faserorientierung und der Belastungsrichtung abhängig und basiert auf Verstärkungs- und Versagensmechanismen.

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Dr.-Ing. Kamen Tushtev ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Dietmar Koch Senior Scientist im Fachbereich Produktionstechnik, Keramische Werkstoffe und Bauteile der Universität Bremen.

Keramische Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass durch Kombination zweier inhärent spröder Werkstoffe – keramische Fasern mit extrem hohen Steifigkeiten und Festigkeiten in einer keramischen Matrix – ein quasiduktiles mechanisches Verhalten des Verbundes erreicht wird. Dabei bleibt die Hochtemperaturbeständigkeit der keramischen Komponenten erhalten und andere thermische Eigenschaften wie die Thermoschockbeständigkeit verbessern sich.

In der keramischen Matrix wachsen bereits bei niedrigen Verformungen Risse

Die Erhöhung des Risswiderstandes bei gleichzeitiger hoher Festigkeit wird bei den CMC erreicht, indem die Rissausbreitung im Material durch die eingebetteten Fasern behindert wird. Da die Matrix herstellbedingt immer eine gewisse Restporosität besitzt und nicht so fehlerfrei wie monolithisches Keramikgefüge erzeugt werden kann, wachsen in der keramischen Matrix bereits bei niedrigen Verformungen Risse, die dann durch die Fasern überbrückt werden. Die Schadenstoleranz von CMC beruht also auf der kontrollierten Rissbildung in der Matrix bei gleichzeitiger Lastübertragung von der Matrix auf die Fasern.

Mikromechanisch betrachtet bedeutet das, dass eine ausreichend schwache Faser-Matrix-Bindung vorhanden sein muss, die eine Ablösung von Faser und Matrix ermöglicht und damit ein Faserversagen in der Rissebene verhindert. Damit bleiben die Fasern intakt und können weitere Lasten aufnehmen und diese in intakten Bereichen sogar wieder an die Matrix übertragen [1 und 2].

Keramische Verbundwerkstoffe besitzen dichte und steife Matrix

Derartige keramische Verbundwerkstoffe besitzen typischerweise eine dichte und steife Matrix, die in der Lage ist, nennenswerte mechanische Lasten zu tragen. Die schwache Faser-Matrix-Bindung wird durch eine aufwendige Beschichtung der Fasern mit Kohlenstoff oder Bornitrid erreicht. Diese Werkstoffe zeigen unabhängig von der Orientierung der Faserverstärkung fast keine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften auf.

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