Versagensverhalten langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

Anbieter zum Thema

Im Gegensatz zu diesem „konventionellen“ Konzept, bei dem das schadenstolerante Werkstoffverhalten durch eine schwache Faser-Matrix-Bindung erreicht wird (Weak Interface Composite WIC), kann ein schadenstolerantes Werkstoffverhalten auch erreicht werden, wenn die Matrix eine wesentlich niedrigere Steifigkeit und Festigkeit als die Fasern aufweist (Weak Matrix Composite WMC) [3].

WIC und WMC sind als idealisierte Grenzfälle zu betrachten

Dieses Prinzip wird bei der Verwendung von Herstellverfahren wie Liquid-Polymer-Infiltration (Polymerpyrolyse) und Liquid-Silicon-Infiltration realisiert. Bei einer reduzierten Steifigkeit und Festigkeit der Matrix werden die Fasern dadurch vor Spannungsüberhöhungen geschützt, dass sich in der Matrix ein Rissnetzwerk ausbildet. Die Faser-Matrix-Bindung spielt damit keine entscheidende Rolle. Trotz der in der keramischen Matrix auftretenden starken Schädigungen kann das Verbundmaterial weiter belastet werden, solange die Fasern die mechanische Belastung aufnehmen können.

Daraus ergibt sich, dass bei diesem Werkstoffkonzept die mechanischen Eigenschaften der Bauteile stark abhängig von der Orientierung der Verstärkungsfasern sind. Ein wesentlicher Teil der heute eingesetzten keramischen Verbundwerkstoffe weist mit unterschiedlicher Ausprägung Merkmale der beiden Konzepte auf. Deswegen sind die oben dargestellten Konzepte WIC und WMC als idealisierte Grenzfälle zu betrachten.

Bei den Carbon/Carbon-Verbundwerkstoffen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, bei denen Kohlenstofffasern in einer Kohlenstoffmatrix eingebettet sind. Aus den Kohlenstofffasern werden durch textile Techniken wie Weben, Flechten und Nähen zwei- und dreidimensionale textile Preformen erzeugt.

Die Matrix wird typischerweise über einen Polymerpyrolyseprozess oder über chemische Gasphaseninfiltration hergestellt. Neben der Variation des Fasertyps und der Faserarchitektur ist die Matrixverdichtung, beispielsweise durch mehrmalige Nachinfiltration, ein effektives Instrument zur Anpassung der Verbundeigenschaften an ein vorgegebenes Anforderungsprofil.

Schadenstolerantes Materialverhalten einer porösen Matrix

Im Folgenden wird der Effekt der Matrixverdichtung auf das Versagensverhalten des Verbundwerkstoffs aufgezeigt. Bei einer optimalen Einstellung der Eigenschaften der porösen Matrix wird ein schadenstolerantes Materialverhalten erreicht. Eine doppelseitig gekerbte Zugprobe versagt nicht direkt in der Ebene zwischen den Kerben, sondern in einem großen Bereich um das Ligament.

(ID:366133)