Mehrfachbruch UD-Tapes

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Mehrfachbruch UD-Tapes

Deformations- und Bruchverhalten von UD-Tapes

Das Phänomen des Mehrfachbruches eines Prüfkörpers bei der Beanspruchung im Zugversuch wird bei Kunststoffverbunden beobachtet, z. B. an unidirektional (UD) verstärkten Endlosfaser-Kunststoff-Verbunden (FKV), sogenannten UD-Tapes [1]. Aufgrund der unidirektionalen Endlosverstärkung können UD-Tapes in Faserrichtung sehr hohe Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen. Durch eine Applikation der UD-Tapes entlang der Lastpfade bzw. der Belastungsrichtung können die Vorteile optimal ausgeschöpft werden, entweder direkt als Tape oder nach einer Konsolidierung mehrerer Lagen als Laminat, wobei die Faserorientierung der Schichten dem Bauteil individuell angepasst werden kann (siehe auch: Glasfaserorientierung). Aufgrund der Vorteile bei der Verarbeitung und im Einsatz in Leichtbaukonstruktionen oder dem Ersatz metallischer Bauteile gewinnen UD-Tapes mit thermoplastischer Matrix zunehmend an Bedeutung [2, 3].
Für die Laminatherstellung aus UD-Tapes sind die Schichtung des Tapes in präzisen Winkeln, eine konstante Dicke und eine gleichmäßige und defektfreie Verpressung besonders wichtig. Treten dabei Abweichungen auf, sind die Auswirkungen auf die Art des Deformations- und Bruchverhaltens und insbesondere beim Versagen durch Bruch bedeutsam. Die Eigenschaften einer einzelnen Lage sind für die Eigenschaften der Gesamtheit des späteren Verbundes bestimmend. Aus diesem Grund ist die Auswahl von aussagekräftigen Prüfmethoden der Kunststoffprüfung und Diagnostik, die die Eigenschaften von dünnen FVK-Lagen beschreiben können, von essentieller Bedeutung (siehe auch: Prüfung von Verbundwerkstoffen).

Trotz des Sachverhaltes, dass eine reine Zugbeanspruchung in der Praxis eher die Ausnahme darstellt, wird die Charakterisierung der Eigenschaften mit dem Zugversuch unter prüfmethodischen Aspekten häufig bevorzugt durchgeführt.

Mehrfachbrüche an einschichtigen UD-Tapes PA/eGF und PPeGF sowie dem mehrschichtigen UD-Tape PET/CReF/PET

Das Auftreten von Mehrfachbrüchen wird am Beispiel von zwei einschichtigen UD-Tapes mit einer Matrix aus Polyamid 6 (Kurzzeichen: PA6) bzw. Polypropylen (Kurzzeichen: PP) mit einer Endlosglasfaserverstärkung dargestellt (mit PA/eGF bzw. PP/eGF bezeichnet). Weiterhin wurde ein mehrschichtiges UD-Tape bestehend aus einer Matrix aus Polyethylenterephthalat (Kurzzeichen: PET) und einer Endlosfaser aus Celluloseregenerat (CReF) charakterisiert. Dieses Tape ist dreischichtig (PET/ CReF/PET). Die einschichtigen Tapes haben eine Dicke von ca. 300 µm bzw. 500 µm bei PET/CReF/PET. Der Zugversuch wurde in Anlehnung an die DIN EN ISO 527-4 durchgeführt [4] wobei die Endlosfasern unidirektional in Lastrichtung ausgerichtet waren, analog der Einsatzbestimmung der UD-Tapes im Bauteil. Als Kennwerte wurden der Elastizitätsmodul E_t, die Spannung beim ersten Peak σ_B1, also beim ersten Faserbruch, bzw. beim Maximum σ_M ermittelt.

Die UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF zeigen ein typisches Spleißen und strangweises Brechen bei Zugbeanspruchung. Dies ist in Bild 1a) und b) dargestellt.

Bild 1:

Spleißen und strangweises Brechen der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung von PA/eGF (a), PP/eGF (b) bzw. Bruch von PET/CReF/PET im unteren Bereich (c)

Die einzelnen Faserstränge der UD-Tapes brechen in einem kurzen zeitlichen Abstand. Dies führt zu den Mehrfachbrüchen, die auch in den Spannungs-Dehnungs-Diagrammen (siehe Bild 2 und Bild 3) zu erkennen sind. Trotz der Brüche ist eine weitere Lastaufnahme der Tapes möglich. Erst das Überschreiten eines kritischen Belastungszustandes an getrennten Strängen führt zu einem kompletten Versagen (siehe: Bruch) des Prüfkörpers. Ein völlig anderes Versagensverhalten zeigt PET/CReF/PET. Nach einem Sprödbruch der PET-Schichten besitzen die Fasern noch eine Restfestigkeit und haften weiterhin am Rand der Bruchzone in der Matrix. Dies kann während des Versuchs beobachtet werden. Damit kann vom Tape noch weitere Arbeit aufgenommen werden, bis der Gesamtbruch des Prüfkörpers erfolgt. Somit zeigen sowohl die einlagigen UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF als auch PET/CReF/PET einen komplexen Bruchprozess bei einer Zugbeanspruchung.

In der Tabelle 1 sind die mit dem Zugversuch ermittelten Kennwerte zusammengefasst. Der Elastizitätsmodul E_t ist ein Maß für die Steifigkeit der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung und für die UD-Tapes vergleichsweise hoch, bedingt durch die einachsige Orientierung der Endlosfasern. Die Spannung beim ersten Strangbruch σ_B1 ist für die beiden UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF deutlich höher als die vergleichbare Zugfestigkeit σ_M von PET/CReF/PET.

Bild 2:

Spannungs-Dehnungs-Diagramm von jeweils 5 Prüfkörpern (1–5) für die UD-Tapes der Werkstoffe PA/eGF und b) PP/eGF

Bild 3:

Spannungs-Dehnungs-Diagramme von 5 Prüfkörpern (1–5) für das UD-Tape PET/CReF/PET

Tabelle 1:

Kennwerte aus dem Zugversuch: Elastizitätsmodul Et, Spannung beim ersten Strangbruch σB1 bzw. Zugfestigkeit σM

UD-Tape	Et (GPA)	σB1 (MPa)	σM (MPa)	σB (MPa)
PA/eGF	23,0 ± 1,7	550 ± 81	-	408 ± 75
PP/eGF	24,0 ± 1,4	416 ± 67	-	258 ± 86
PET/CReF/PET	6,1 ± 0,5	-	114 ± 9	26 ± 6

Das Bruchverhalten der UD-Tapes im Zugversuch ist sehr komplex. Die ermittelten Kennwerte erlauben eine Differenzierung der UD-Tapes und eine Werkstoffcharakterisierung. Für eine detailliertere Beschreibung des Bruchverhaltens von UD-Tapes stellt die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur Bewertung der Rissinitiierung und Rissausbreitung einen vielversprechenden Ansatz zur Weiterentwicklung der bisher verwendeten Konzepte dar (siehe: Bruchmechanische Prüfung).

Literaturhinweise

[1]	Monami, A., Langer, B., Grellmann, W.: Moderne Methoden der Kunststoffprüfung zur Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung/Modern Methods of Polymer Testing for Material Development and Testing of Components. Werkstoffprüfung 2016, Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis 1. und 2.12.2016, Neu-Ulm, Tagungsband S. 219–224 (ISBN 978-3-514-00830-4; siehe AMK-Büchersammlung unter G 61)
[2]	Haanappel, S. P., Akkerman, R.: Shear Characterisation of Unidirectional Fibre Reinforced Thermoplastic Melts by Means of Torsion. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 56 (2014) 8−26
[3]	Gao, S.-L., Kim, J.-K.: Cooling Rate Influences in Carbon Fibre/PEEK Composites. Part II: Interlaminar Fracture Toughness. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 32 (2001) 763−774
[4]	DIN EN ISO 527-4 (2022-03): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 4: Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (siehe auch mit geänderten Prüfbedingungen in DIN EN ISO 527-4 (2023-07)