Faserverbundbauweisen. Eigenschaften

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung.- 1.1 Werkstoffgruppen.- 1.2 Die vier Paradoxe.- 1.3 Grundsätzliche Werkstoffeigenschaften, Dimensionen und Abkürzungen.- 1.4 Literaturverzeichnis zu Kapitel 1.- 2 Analogien zwischen Faserverbunden der Natur und Technik.- 2.1 Knochenstrukturen.- 2.1.1 Culmanns Erkenntnis und moderne Berechnungstechnik von Naturstrukturen.- 2.1.2 Krafteinleitungsbereich/Kraftübertragungsbereich.- 2.1.3 Adaption der Struktur an veränderte Lastfälle (Strukturwandel durch Änderung der Umgebung).- 2.1.4 Spannungsniveaus.- 2.1.5 Histologischer Auf - und Umbau der Knochenstruktur (feingewebliche Untersuchungs-ergebnisse).- 2.1.6 Das Wolffsche Gesetz der Transformation des Knochens.- 2.1.7 Ossäre Strukturanalyse, Finite-Element-Methoden (FEM); invasive und nicht-invasive Messtechniken.- 2.2 Hohlträger.- 2.2.1 Der Stachel.- 2.2.2 Der Strohhalm.- 2.3 Technische Erläuterungen zum Leichtbau von Hohlträgern.- 2.4 Schichtstrukturen.- 2.4.1 Die natürliche, feste Schichtstruktur.- 2.4.2 Die technische Schichtstruktur.- 2.5 Literaturverzeichnis zu Kapitel 2.- 3 Die Theorie zur Berechnung dünnwandiger Laminate.- 3.1 Grundlegende Bemerkungen.- 3.2 Die Spannungs-Dehnungskoeffizienten in matrizieller Darstellung.- 3.3 Koordinatentransformation.- 3.4 Berücksichtigung von Temperatur und Feuchte.- 3.5 Spannungs-Dehnungsbeziehungen für den ebenen Spannungszustand.- 3.6 Die Berechnung relativ dünnwandiger Laminate.- 3.6.1 Spannungs-Dehnungsverlauf im Laminat.- 3.7 Resultierende Laminatkräfte und -momente.- 3.8 Temperaturlasten.- 3.9 Berechnung von Strukturen mit dickwandigen Laminaten.- 3.10 Literaturverzeichnis zu Kapitel 3.- 4 Die Deformation anisotroper Laminate und die Bedeutung der Kopplungsmatrix B.- 4.1 Klassisches orthotropes, symmetrisches Laminat.- 4.2 Pseudo-orthotropes, symmetrisches Laminat.- 4.3 Balancierter, unsymmetrischer Winkelverbund.- 4.4 Unsymmetrischer Kreuzverbund.- 4.5 Symmetrisches, klassisches Laminat.- 4.6 Allgemeiner anisotroper Laminataufbau.- 4.7 Literaturverzeichnis zu Kapitel 4.- 5 Berechnungsbeispiele.- 5.1 Berechnungsbeispiel eines ebenen Laminates.- 5.2 Vereinfachte Formalismen zur Abschätzung der elastischen Eigenschaften, Spannungen und Festigkeiten von Faserverbunden.- 5.2.1 Definition von einfachen Formalismen zur groben Vordimensionierung von faserverstärkten Kunststoffen.- 5.3 Berechnungsbeispiel Kardanwelle.- 5.3.1 Aufgabenstellung.- 5.3.2 Lösungskonzept.- 5.3.3 Laminatbelastung.- 5.3.4 Berechnung der Spannungen und einer vorläufigen Festigkeit.- 5.3.5 Frequenzberechnung.- 5.3.6 Die numerische Berechnung einer aus Faserverbundwerkstoffen gewickelten Kardanwelle.- 5.4 Literaturverzeichnis zu Kapitel 5.- 6 Festigkeitshypothesen - Festigkeitsberechnungen.- 6.1 Festigkeitshypothesen für Metalle.- 6.1.1 Normalspannungshypothese.- 6.1.2 Schubspannungshypothese.- 6.1.3 Gestaltänderungsenergiehypothese.- 6.1.4 Vergleich der Gestaltänderungsenergiehypothese mit der Schubspannungshypothese.- 6.2 Festigkeitskriterien für unidirektional verstärkte Faserverbundwerkstoffe.- 6.2.1 Vorbemerkungen.- 6.2.2 Kriterium der maximalen Spannungen.- 6.2.3 Tsai-Hill-Pauschalkriterium.- 6.2.4 Tsai-Wu Pauschalkriterium in Tensorform.- 6.2.5 Die Bruchtyp-Kriterien von Puck aus dem Jahre 1969.- 6.2.6 Kriterium von Hashin.- 6.2.6.1 Spannungs-Invarianten.- 6.2.6.2 Vorgehensweise von Hashin.- 6.2.7 Neue Theorie des Zwischenfaserbruchs von Puck.- 6.2.7.1 Grundsätzliche Vorüberlegungen.- 6.2.7.2 Beanspruchungsarten des UD-Verbundes, Festigkeiten und Bruchwiderstände der Wirkebene.- 6.2.7.3 Ausprägungen von Zwischenfaser-brüchen.- 6.2.7.4 Puck's Bruchhypothese.- 6.2.7.5 Das Längsschnitt-Modell von Puck für den Master Bruchkörper.- 6.2.7.6 Zwischenfaserbruch-Bedingungen für kombinierte 62,ti12 - Beanspruchung.- 6.2.8 Bewertung der neueren Zwischenfaser-bruchkriterien.- 6.2.9 Empfehlungen zu den unterschiedlichen Hypothesen und der Dimensionierung von Laminaten.- 6.3 Literaturverzeichnis zu Kapitel 6.- 7 Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen gerichteten kurz-und Iangfaserverstärkten Thermoplasten.- 7.1 Anforderungen an einen leistungsfähigen Kurzfaserverbundwerkstoff.- 7.1.1 Anforderungen an die Matrix.- 7.1.2 Anforderungen und Eigenschaften der unterschiedlichen Fasermaterialien.- 7.1.3 Eigenschaften der ausgewählten Einzelkom-ponenten.- 7.1.3.1 Kenndaten und Eigenschaften von Polyetherimid (PEI).- 7.2 Gerichtete Kurzfasermaterialien.- 7.3 Herstellung der Kurzfaserprepregs und der daraus gefertigten Laminatplatten.- 7.4 Vergleich der mechanischen Kennwerte zwischen lang-und kurzfaserverstärkten Thermoplasten (PEI).- 7.4.1 Faservolumengehalt der hergestellten Kurz-und Langfaserproben.- 7.4.2 Vergleich der ermittelten mechanischen Kenngrössen.- 7.5 Problematik bei der Vorhersage von mechanischen Kennwerten bei Kurzfaserverbundwerkstoffen.- 7.5.1 Modellansätze zu statichen Festigkits-und Steifigkeitsvorhersagen an Kurzfaserverbund-strukturen.- 7.5.2 Vergleich einiger Spannungskonzentrations-faktoren.- 7.5.3 Vergleich der vorhergesagten Steifigkeiten und Festigkeiten in Faserlängsrichtung an dem UD-Verbund CFKIPEI.- 7.6 Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten an gekerbten lang-und kurzfaserverstärkten Thermoplasten.- 7.6.1 Versuchsprogramm.- 7.6.2 Auswertung der Ermüdungsversuche.- 7.6.2.1 Untersuchung der aufgetretenen Schadensformen.- 7.6.2.2 Auswirkungen der Schäden auf das Festigkeits-bzw. Steifigkeitsverhalten.- 7.6.2.3 Unterschiede im Ermüdungsverhalten zwischen kurz-und langfaserverstärkten Thermoplasten.- 7.6.3 Verwendung der Ergebnisse für Vorhersagen zum Ermüdungsverhalten.- 7.7 Optische Ganzfeldverschiebungsmessungen an FVW zur Überprüfung von FEM-Schadensmodellen.- 7.8 Unterschiede im Umformverhalten zwischen kurz-und langfaserverstärkten Thermoplasten.- 7.8.1 Umformmechanismen.- 7.8.2 Unterschiede im Umformverhalten zwischen lang-und kurzfaserverstärktem PEI.- 7.9 Weitere Thermoplasteigenschaften.- 7.10 Liste der verwendeten Symbole und Indizes.- 7.11 Literaturverzeichnis zu Kapitel 7.- 8 Mechanische, temperaturabhängige und wirtschaftliche Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen.- 8.1 Kurzer Überblick über die Bedeutung der Werkstoffe generell.- 8.2 Spezifische mechanische Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen.- 8.2.1 Faserspezifische Probleme bei faserverstärkten Kunststoffen.- 8.2.2 Matrixspezifische Probleme bei faserverstärkten Kunststoffen.- 8.2.3 Haftfestigkeit und Verbindungsmechanismus zwischen Faser und Harz.- 8.2.3.1 Nichtoxidative Verfahren.- 8.2.3.2 Oxidative Verfahren.- 8.2.4 Einfluss der Verstärkungsfasern auf die Eigenschaften unidirektionaler Verbunde quer zur Faserrichtung.- 8.3 Literaturverzeichnis zu Kapitel 8.- 9 Das Ermüdungsverhalten von Faserverbunden bei dynamischer Belastung.- 9.1 Schädigungsmechanismen bei dynamischer Belastung.- 9.2 Untersuchung des Ermüdungsverhaltens.- 9.3 Die Anwendung des Haigh-Schaubildes aus Ergebnissen von Einstufenversuchen.- 9.3.1 Erläuterungen zu CFK-Haighdiagrammen.- 9.3.2 Streuung und Überlebenswahrscheinlichkeit.- 9.4 Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit beliebig gestalteter und belasteter Faserverbundstrukturen.- 9.4.1 Ermüdungsfestigkeit bei Mehrfachbelastungen.- 9.4.1.1 Der Betriebsfestigkeitsversuch nach Gassner.- 9.4.1.2 Versuche mit Zufallsfolgen.- 9.4.2 Rechnerische Lebensdauerabschätzung nach dem Verfahren von Palmgren-Miner.- 9.4.2.1 Die Palmgren-Miner-Regel (elementare Miner-Regel).- 9.4.2.2 Die Relativ-Miner-Regel.- 9.4.2.3 Beispiele.- 9.4.3 Weitere Modelle zur Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit bei Mehrstufenbelastung.- 9.5 Kurze Beschreibung von weiteren Lebensdauerhypothesen.- 9.5.1 Das Strength-Degredation-Modell.- 9.5.2 Die Percent-Failure-Regel.- 9.5.3 Das Marco-Starkey-Modell.- 9.5.4 Das Fatigue-Modulus-Konzept.- 9.5.5 Das Restfestigkeits-/Steifigkeitsmodell.- 9.6 Literaturverzeichnis zu Kapitel 9.- 10 Der Einfluss von feuchtwarmen Klima auf die Laminateigenschaften.- 10.1 Temperatur-/Feuchtigkeitseinflüsse.- 10.2 Auswirkungen auf die Festigkeit.- 10.3 Literaturverzeichnis zu Kapitel 10.- 11 Korrelationsbetrachtungen.- 11.1 Korrelation zwischen Glasübergangstemperatur und mechanischen Eigenschaften.- 11.2 Korrelation zwischen Compression after Impact (CAI) und verschiedenen Eigenschaften.- 11.2.1 Erklärungen zum F-Test.- 11.3 Literaturverzeichnis zu Kapitel 11.- 12 Schadenstoleranz von Faserverbund-Werkstoffen und - bauteilen.- 12.1 Beschreibung der Ursachen und Auswirkungen von Fehlstellen in Faserverbundwerkstoffen.- 12.2 Betriebsschäden.- 12.3 Möglichkeiten zur Verbesserung des Schadensverhaltens.- 12.3.1 Möglichkeiten bezüglich des Werkstoffes.- 12.3.2 Möglichkeiten bezüglich der konstruktiven Gestaltung.- 12.4 Einfluss verschiedener Kerbformen auf das Zugfestigkeitsverhalten von multidirektionalen CFK-Laminaten.- 12.4.1 Untersuchungsergebnisse aus der Zugfestigkeit ungekerbter CFK-Proben.- 12.4.2 Restzugfestigkeit gekerbter Proben.- 12.4.3 Zusammenfassende Erläuterungen.- 12.4.4 Kerbeinflusszahlen von gekerbten Proben beider Laminate.- 12.5 Literaturverzeichnis.- 13 Streuungsverhalten von Faserverbundwerkstoffen.- 13.1 Voraussetzungen zur Auswertung der ermittelten Kennwerte.- 13.1.1 Prepregsystem Code 69/T300.- 13.1.2 Prepregsystem Fiberite 976/T300.- 13.1.3 Prepregsystem Narmco 5245C/T800.- 13.1.4 Prepregsystem Krempel U214/HTA7.- 13.1.5 Prepregsystem Ciba 6376/T400.- 13.1.6 Kennwertauswertung.- 13.2 Einfluss der Probengeometrien auf die Laminatkennwerte und die Dimensionierung sowie die statistische Erfassung der Daten.- 13.3 Möglichkeiten zur Reduzierung des Versuchsaufwandes für eine Qualifikation..- 13.4 Beschreibung des Verfahrens zur Abschätzung des Werkstoffverhaltens und einer Kurzqualifikationsmöglichkeit.- 13.5 Zusätzliche Einflüsse auf ein eigenschaftstypisches Streuungsverhalten von physikalischen und mechanischen Kennwerten.- 13.6 Gesetzmässigkeiten des Streuungsverhaltens.- 13.6.1 Vorgehensweise zur Untersuchung des Streuungsverhaltens.- 13.6.2 Begriffserklärungen zur Festlegung von geeigneten statistischen Methoden für die Faserverbundtechnik.- 13.7 Beurteilung des Streuungsverhaltens der Faserverbundsysteme Fiberite 976/T300 und Code 69/T300.- 13.8 Bewertung des Streuungsverhaltens der wichtigsten Festigkeiten.- 13.9 Untersuchung der Übertragbarkeit der Fasereigenschaften auf die Verbundeigenschaften am Beispiel der Zugfestigkeit.- 13.10 Literaturverzeichnis zu Kapitel 13.- 14 Recycling von Faserverbundwerkstoffen und Bauteilen.- 14.1 Recyclingverfahren.- 14.2 Abfälle aus faserverstärkten Kunststoffen.- 14.3 Weitere Bemerkungen zur Entsorgung von Kunststoffen.- 14.3.1 Entsorgung von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW).- 14.3.2 Weitere Entsorgungstendenzen von Kunststoffen und Faserverbunden durch Verbrennung.- 14.4 Literaturverzeichnis zu Kapitel 14.- 15 Aktive Funktionswerkstoffe und -bauweisen.- 15.1 Beispiele für aktive Werkstoffe und Funktionsbauweisen.- 15.2 Aktuelle Beispiele zur Anwendung aktiver Funktionsbauweisen.- 15.3 Aktive Werkstoffe und Funktionsbauweisen.- 15.3.1 Wirkungsweise piezoelektrischer Werkstoffe.- 15.3.2 Piezoelektrische Polymere und ihre Anwendung in Faserverbunden.- 15.3.3 Elektrostriktive Materialien und ihre Bedeutung für Faserverbunde.- 15.3.4 Magnetostriktive Materialien.- 15.3.5 Formgedächtnislegierungen und ihre Bedeutung für Faserverbunde.- 15.4 Die mechanische Interaktion zwischen aktiven Elementen und Faserverbundstrukturen.- 15.5 Konstruktive Gestaltungs-und Fertigungsgesichtspunkte bei aktiven Faserverbundfunktionsbauweisen.- 15.6 Literaturverzeichnis zu Kapitel 15.- 16 Die elektrischen Eigenschaften von Faserverbunden und modifizierten Matrices.- 16.1 Einführung.- 16.2 Beschreibung und theoretische Herleitung der eingesetzten Messverfahren.- 16.2.1 Ermittlung des Durchgangswiderstandes für Gleichspannungen nach IEC 93.- 16.2.2 Ermittlung des spezifischen Widerstandes nach der 4-Elektroden-Methode.- 16.2.3 Ermittlung des Oberflächenwiderstandes.- 16.2.4 Ermittlung der Dielektrizitätszahl für Frequenzen bis 15 MHz.- 16.2.5 Ermittlung der Permeabilitätszahl für Frequenzen bis 15 MHz.- 16.2.6 Ermittlung der Permittivität und Permeabilität für Frequenzen über 500 MHz.- 16.2.6.1 Allgemeine Herleitung der Materialparameter aus der Wellengleichung.- 16.2.6.2 Materialvermessung unter Zuhilfenahme der S-Parameter.- 16.2.6.3 Einfluss der Probendicke auf das Messergebnis.- 16.2.6.4 Einfluss der Probenposition im Hohlleiter auf das Messergebnis.- 16.3 Erstellung der Versuchsaufbauten und Probenkörper.- 16.3.1 Versuchsaufbau zur Messung des Durchgangswiderstandes nach IEC 93.- 16.3.2 Versuchsaufbau zur Messung des spezifischen Widerstandes nach der 4-Elektroden-Methode.- 16.3.3 Versuchsaufbau zur Messung des Oberflächenwiderstandes.- 16.3.4 Versuchsaufbau zur Messung der Dielektrizitätszahlen für Frequenzen unter 15 MHz.- 16.3.5 Versuchsaufbau zur Messung der Permeabilitätszahlen für Frequenzen unter 15 MHz.- 16.3.6 Versuchsaufbau zur Messung der Permeabilität und Permittivität für Frequenzen über 500 MHz..- 16.4 Auswertung der durchgeführten Versuche.- 16.4.1 Messergebnisse des elektrischen Durchgangswiderstandes nach WC 93.- 16.4.2 Messergebnisse des elektrischen Durchgangswiderstandes nach der 4-Elektroden-Methode.- 16.4.3 Messergebnisse des elektrischen Oberflächenwiderstandes.- 16.4.4 Messergebnisse der Dielektrizitätszahlen für Frequenzen unter 15 MHz.- 16.4.4.1 Kohlenstoffüllung.- 16.4.4.2 Graphitfüllung.- 16.4.4.3 CKF-Füllung.- 16.4.4.4 Eisenfüllung.- 16.4.5 Messergebnisse der Permeabilitätszahlen für Frequenzen unter 15 MHz.- 16.4.5.1 Kohlenstoffüllung, Graphitfüllung, CKFFüllung.- 16.4.5.2 Eisenfüllung.- 16.4.6 Messergebnisse der Materialparameter µ und E für Frequenzen über 500 MHz.- 16.4.6.1 Kohlenstoffüllung.- 16.4.6.2 Graphitfüllung.- 16.4.6.3 Kohlekurzfaser-Füllung.- 16.4.6.4 Eisenfüllung.- 16.4.7 Der Einfluss von Glasfasern auf die Permittivität.- 16.5 Umsetzung der Messergebnisse auf reale Strukturen.- 16.6 Literaturverzeichnis zu Kapitel 16.- 17 Crashverhalten von CFK-Werkstoffen und CFK- Strukturen.- 17.1 Einführung zum Crashverhalten von CFK-Proben und CFK-Strukturen.- 17.2 Grundlegende Betrachtungen zum Crash-und Energieabsorptionsverhalten von Faserverbundwerkstoffen.- 17.3 Untersuchungen zum Crash-Verhalten von Busstrukturen aus Faserverbunden.- 17.4 Grundlegende Begriffe und Aussagen für die Konstruktion von mittragenden Crash-Strukturen.- 17.4.1 Einführung.- 17.4.2 Ertragbare, spezifische Energieabsorption.- 17.4.3 Allgemeine Aussagen zur Konstruktion von Crash-Strukturen.- 17.5 Crash-Simulation von Faserverbundbauteilen.- 17.5.1 Einleitung.- 17.5.2 Erläuterungen zur Berechnung des Crash-Vorganges.- 17.5.3 Erklärungen zu Crash-Simulationsprogrammen.- 17.6 Literaturverzeichnis zu Kapitel 17.- 18 Weitere Kriterien und Einsatzmöglicheiten bei Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen.- 18.1 Verbesserte Tragflügelstreckungen durch den Einsatz von CFK.- 18.2 Brandverhalten und Feuerfestigkeit von CFK-Strukturen.- 18.2.1 Richtlinien und Anforderungen zum Brandverhalten.- 18.2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung des Brandverhaltens.- 18.3 Korrosionsverhaltenseigenschaften.- 18.4 Wärmeausdehungsverhalten von C-Fasern und CFK-Verbunden.- 18.5 Blitzschutzeigenschaften und Schutz gegen elektrostatische Aufladung.- 18.6 Wärmedämmung und Wärmeleitung durch den Einsatz von C-Fasern.- 18.7 Literaturverzeichnis zu Kapitel 18.- 19 Untersuchungen zum Langzeitverhalten von CFKKomponenten.- 19.1 Bauteil-Auswahl-Kriterien.- 19.2 Langzeiterprobungs-Ergebnisse.- 19.3 Zusammenfassende Beurteilung.- 19.4 Literaturverzeichnis zu Kapitel 19.- 20 Das Beulverhalten und die Tragfähigkeit im Nachbeulbereich.- 20.1 Einleitung.- 20.2 Zur Geometrie der Versuchsteile.- 20.3 Der Vergleich zwischen Theorie und Versuch.- 20.4 Theoretische Grundlagen.- 20.4.1 Die Stabilitätsgrenze der versteiften, anisotropen Platte.- 20.4.2 Lösung des Beulproblems für das in 20.4.1 definierte Beispiel.- 20.4.2.1 Geometrie und charakteristische Daten der Platte.- 20.4.2.2 Bestimmung des Membranspannungs-zustandes und des Elastizitätsgesetzes.- 20.4.2.3 Wahl eines geeigneten Verformungs-ansatzes für w und Integration der Formänderungsarbeiten.- 20.4.2.4 Differenzierung der Arbeiten nach den Konstanten des Verformungsansatzes und Konstituierung sowie Lösung des Eigenwertproblems.- 20.4.3 Zusammenfassung und Ausblick.- 20.4.4 Die Berücksichtigung der Stringertorsion.- 20.5 Schlussbemerkungen.- 20.6 Literaturverzeichnis zu Kapitel 20.- Sachwortverzeichnis.