Versagensverhalten langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

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Zahlreiche Faserbündel werden dabei tief aus dem Material herausgezogen, da die hohe Spannungskonzentration an den Kerbspitzen durch starke Rissbildung der Matrix abgebaut wird. Verbessert man nun durch Nachverdichtung (Gesamtporosität etwa 4%) die Matrixeigenschaften Steifigkeit und Festigkeit, so kann diese Matrixschädigung nicht mehr auftreten.

Stattdessen versagen die Fasern in der Rissebene, die Bruchfläche verläuft direkt zwischen den zwei Kerben. Dies zeigt deutlich auf, dass mit erhöhter Festigkeit und Steifigkeit der Matrix die Grenzflächenmechanismen eine zunehmende Rolle spielen und dann eine ausreichend schwache Faser-Matrix-Bindung für ein schadenstolerantes Versagen extrem wichtig wird.

Richtungsabhängigkeit der Festigkeit

Unter quasistatischer Belastung, bei der das Verbundmaterial einem homogenen Spannungszustand mit überlagerten Normal- und Scherspannungen unterworfen wird, können unterschiedliche orientierungsabhängige Versagensmechanismen untersucht werden. Zur Veranschaulichung der Grundmechanismen dient ein Carbon/Carbon-Verbundwerkstoff mit bidirektionaler Gewebeverstärkung und schwacher poröser Matrix. In Abhängigkeit von der Belastungsrichtung relativ zur Faserorientierung und vom Belastungsmodus (Zug-, Druck- oder Scher-Modus) zeigt das Material erhebliche Unterschiede in Verformungs- und Bruchverhalten.

Unter Zugbelastung in Faserrichtung verhält sich der Verbundwerkstoff nahezu linearelastisch, weil die Last vor allem durch die in der Belastungsrichtung liegenden steifen Fasern übernommen wird. Die ausgeprägte Rissbildung in der graphitischen Matrix, die keinen makroskopischen Einfluss auf die Materialsteifigkeit hat, kann durch Schallemissionsanalyse, bei der die Matrixschädigung „abgehört“ wird, nachgewiesen werden.

Schubspannungsdominiertes Versagen bei Off-Axis-Belastung

Beim Erreichen der Maximallast versagen die Zugproben durch Überschreitung der Faserfestigkeit. Die Versagensprozesse sind nicht von der mikroskopischen Wechselwirkung zwischen Faser und Matrix geprägt, sondern treten großvolumig auf. Verändert man nun den Winkel zwischen Belastungs- und Faserrichtung, so entstehen entlang der Materialhauptachsen überlagerte Zug- und Scherspannungen.

Dadurch ändern sich die Schädigungs- und Versagensmechanismen im Material, sodass schon ab einem geringeren Winkel von 15° eine starke inelastische Verformung und eine niedrigere Festigkeit beobachtet werden. Bei einer solchen sogenannten Off-Axis-Belastung wird dann ein lokal begrenztes schubspannungsdominiertes Versagen beobachtet.

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