Matrixhybride - Werkstoff- und Technologieentwicklung zur form- und stoffschlüssigen Kopplung thermoplastischer und duroplastischer FVK-Laminate

Charakterisierung und Modellierung der matrixhybriden Verbindung sowie Schweißbetrachtungen

Holger Büttemeyer

• Publisher: Books on Demand
• Year: 2021
• Print ISBN: 9783755701552
• eBook ISBN: 9783755745488
• Edition: 1
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Mechanical Engineering
• Index: Technology & Engineering

Für Faserverbundkunststoffe (FVK) werden als Matrixmaterialien entweder Thermoplaste oder Duroplaste verwendet. Beide Matrixsysteme besitzen teilweise sehr verschiedene Eigenschaften, weswegen sich sowohl die Verarbeitung als auch die späteren Bauteileigenschaften stark voneinander unterscheiden. Das Gesamtziel des Forschungsprojektes Matrixhybride war eine Kombination dieser beiden Matrices in einem Verbundwerkstoff, um duroplastische FVK-Bauteile über Schweißverfahren fügen zu können. Die Kopplung beider Matrixsysteme erfolgt über die Kombination der Verbindungstechniken Form- und Stoffschluss. Der Formschluss wird durch ein textiles Halbzeug erzeugt. Hierfür werden vorrangig Gewebe eingesetzt, deren Kett- und Schussfäden alternierend die Matrixseite wechseln. Der Stoffschluss musste über den Nachweis adhäsiver Bindungen an der Grenzfläche zwischen duroplastischer und thermoplastischer Matrix erreicht werden. Nach der Herstellung und Prüfung hybrider Laminate, vorwiegend auf Basis Luftfahrt-zugelassener Epoxidharze und PEI als Thermoplast, wurden erfolgreich Schweißversuche auf Demonstrator-Bauteilen durchgeführt. Die neue Werkstoff- und Technologieentwicklung schließt eine bisher vorhandene gravierende Verfahrenslücke bei Fügeprozessen im Compositebereich.Die Fertigung hybrider Laminate erfolgt in zwei Technologiestufen, der thermoplastischen Teilkonsolidierung von Geweben und anschließend dem weiteren duroplastischen Laminataufbau auf endgültige Bauteilwandstärke. Partner am Gesamtprojekt waren neben Projektkoordinator Cotesa GmbH, Mittweida: Sächsisches Textilforschungs-institut e. V., Cetex gGmbH, Rucks Maschinenbau GmbH, Eichler & Meurers Industrietechnik GmbH und Faserinstitut Bremen e. V.

II Eingehende Darstellungen

II.1 Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses im Einzelnen, mit Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele

AP 1 Spezifikation der Materialien (Textilien + Matrices) und Anforderungen an den

Materialien und Werkstoffe:

Hybrid-Verbund

In AP 1 wurden alle im Projekt zu untersuchenden Materialien in gemeinsamer Abstimmung aller Partner festgelegt:

• Faserwerkstoff
• Kohlenstofffaser von Teijin HTS45 P12 (Thermoplastschlichte); Filamentanzahl 12K
• Kohlenstofffaser von Teijin HTS45 P12 (Thermoplastschlichte); Filamentanzahl 6K als Sonderanfertigung für das Projekt Matrixhybride
• Kohlenstofffaser von Teijin HTS 45 E23 (Duroplastische Schlichte); Filamentanzahl 12K
• Kohlenstofffaser von Teijin HTS 45 F13 (PU-Schlichte); Filamentanzahl 12K
• Kohlenstofffaser von Teijin HTS 45 E23 - pyrolisiert
• Matrix Thermoplast
• Polyetherimid (PEI)
• Polyvinylbutyral (PVB)
• Polyamid 6 (PA6)
• Polyvinylidenfluorid (PVDF)
• Matrix Duroplast
• Hexcel RTM6 (Flüssigharzsystem)
• Hexcel Hexply M21 (Prepregsystem)

Die festgelegten thermoplastischen Matrixsysteme sowie die verschiedenen Kohlenstofffasern stellten zunächst eine Vorauswahl dar, welche in den nachfolgenden Versuchen untersucht werden sollten.

Anforderungen Schiffsbau:

Eine weitere Aufgabe des Faserinstituts bestand in der Erstellung einer Anforderungsliste für den Schiffsbau. Der Einsatz von Faserverbundmaterialien im Schiffsbau un terscheidet sich je nach Art und Bauweise des Schiffes sowie nach Anwendungszweck, sodass verschiedene Regelwerke Anwendung finden. Es gibt vier generelle Kategorien: SOLAS, High Speed Crafts, Offshore Structures und Outfitting. Insbesondere für Outfittings (Rohre, Wände, Halter, etc.) gelten vor allem Vorschriften zu Feuer und Rauchgas. Hier existieren jeweils verschiedene individuelle Regelwerke. Generell müssen Faserverbundwerkstoffe in den Aspekten Risiko und Haltbarkeit eine Äquivalenz zu Stahl aufweisen. Diese kann aber auch durch zusätzliche Maßnahmen, wie zum Beispiel die Integration von Dämmmaterialien oder das Installieren von Brandlöscheinrichtungen, erreicht werden. Eine wichtige Vorschrift ist die Einhaltung von gefährlichen Stoffen und Rauchgasen im Brandfall solcher Materialien. Darüber hinaus müssen Belastungen des „normalen“ Seealtages erfüllt werden. Diese sind wie folgt:

• Temperatur und UV (ca. -30 °C / ca. +70 °C [sonnenbestrahlte Außenfläche oder Nähe zu Wärmeleitungen]),
• Feuchtigkeit + Salz (ISO 9227 Test),
• Brandbeständigkeit,
• Dauerschwingung durch Vibration + Relativbewegung der Struktur im Seegang und
• Kontakt mit Medien (Reinigungsmittel, etc.). Allerdings können diese je nach Einsatzort (im Innenbereich, freies Deck, etc.) variieren.

AP 2 Grenzflächenuntersuchungen

Atomistische Modellierung:

Neben dem Kohlenstofffasergewebe, welcher für Steigerung der Festigkeiten infolge des Formschlusses verantwortlich ist, wurde innerhalb des Forschungsprojektes geprüft, ob ein potentieller Stoffschluss zwischen dem thermoplastischen und duroplastischen Matrixsystem existiert, um duroplastische Faserverbundwerkstoff schadensfrei zu fügen. Infolgedessen wurden molekular-dynamischen Simulationen auf atomisti- scher Ebene durchgeführt, um die Verbindung zwischen den beiden Matrixwerkstoffen zu prüfen. Für diesen Zweck wurden Polyvinylidenfluorid als Thermoplasten und ein Mehrkomponenten-Epoxidharz als duroplastischen Matrixwerkstoff gewählt, um ein computergestütztes Aushärtemodell zu entwickeln. Das Modell auf atomarer Ebene gewährleistet eine angemessene strukturelle Darstellung, die Mobilität der PVDF-Ket- ten, die Topologie des Epoxidharzes sowie dessen Vernetzung.

Abb. 2: Schematische Darstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Epoxidharz und PVDF (links: Mikro-Ebene - mittig: Nano-Ebene für die molekular-dynamische Simulation - rechts: Atomare Ebene mit Details der Atom-Atom-Wechselwirkungen) [11]

Das Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass sich gegenseitig verschränkte Schlaufen aus thermoplastischen Ketten und Harzsträngen an der Grenzfläche innerhalb des ausgedehnten Grenzflächenbereichs, welcher die beiden Polymere trennt, bilden. In Zugspannungssimulationen wurde daraufhin festgestellt, dass diese Schlaufen zu einer überraschend hohen Grenzflächenfestigkeit beitragen. Ohne Berücksichtigung extrinsischer Defekte entstehen Brüche auf der PVDF-Seite der Grenzfläche und breiten sich über einen Kettenauszugsmechanismus aus, der für halbdurchdringende Polymernetzwerke mit thermoplastischen Materialien charakteristisch ist. [11]

Abb. 3: Zugspannungssimulation und Auszug der PVDF-Schlaufe, welche eng mit dem vernetzten Epoxidharz verflochten ist [11]

Nähere Informationen zu diesen Untersuchungen wurden im Rahmen einer Zeitschriftenpublikation veröffentlicht [11].

Einzelfaserauszugversuch:

Der Einzelfaserauszugversuche wurde mittels den Laborgeräten Fimabond und FAVI- MAT+ durchgeführt. Hierbei wurden die verschiedenen Typen von Kohlenstofffasern, welche sich in ihrer Faserschlichte unterscheiden, und die unterschiedlichen Matrixsysteme untersucht. Ziel dieser Untersuchungen war die Bestimmung der bestge eignetsten Materialkombinationen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Daraus resultierend ergab sich die Auswahl der Materialien, welche im weiteren Verlauf des Entwicklungsprozesses zu berücksichtigen galt.

Zunächst mussten für die verschiedenen Matrixsysteme die optimalen Prozessparameter eruiert werden. Anderenfalls entstehen Fremdpartikel, Poren, Abweichungen der Faserposition und schlechte Faser-Matrix-Anbindungen auftreten (Abb. 4).

Abb. 4: Abweichungen zum Idealzustand der Fibre-Pull-Out-Laborproben infolge von ungeeigneten Prozessparametern [12]

Die beschriebenen Fehler können vermieden werden, wenn der Einbettungsprozess optimal gestaltet wird. Da einige dieser Abweichungen ein Resultat aus anderen Abweichungen wird, wurden allgemeine Prozessempfehlungen formuliert [12]:

• Die Zugfestigkeit der Fasern, die die Einbettungstiefe beeinflusst, sollte genau bekannt sein.
• Stickstoff als atmosphärisches Gas während des Einbettungsprozesses verwenden.
• Höhere Temperaturen verwenden, um die Viskosität des thermoplastischen Materials zu verringern und die Faserimprägnierung zu erleichtern.
• Ausreichende Zeit in der Haltephase bei isothermer Schmelztemperatur zur Homogenisierung des geschmolzenen thermoplastischen Materials nutzen.
• Niedrigere Abkühlungsgeschwindigkeiten nutzen, um die Qualität der Proben zu verbessern.
• Niedrigere Einbettungsgeschwindigkeiten verwenden

Eine gute Kenntnis der eingesetzten Materialien ist notwendig, um die optimalen Parameter zu wählen, damit die Faser-Matrix-Haftung bestmöglich beschrieben werden kann.

Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse des thermoplastischen Werkstoffes PVDF mit verschiedenen Typen von Kohlenstofffasern illustriert:

Tab. 1: Faser-Matrix-Auszugversuch mit verschiedenen Typen von Kohlenstofffasern und PVDF

Die Ergebnisse mit PVDF zeigen, dass grundsätzlich bei allen Proben nur geringe Festigkeiten und Scherfestigkeiten erreicht werden konnten. Hierfür ist voraussichtlich das Fluor-Atom innerhalb der chemischen Struktur von PVDF verantwortlich, da dieses eine trennende Wirkung, wie es zum Beispiel auch bei Teflon ist. Das erste Ablösen ist bei allen Faser-Matrix-Kombinationen auf ähnlichem Niveau. Die geringsten Festigkeiten konnten für die Kohlenstofffaser mit duroplastischer Schlichte (E23) ermittelt werden. Die höchsten Scherfestigkeiten wurden dagegen bei einer Kohlenstofffaser mit einer thermoplastischer Schlichte (P12) erzeugt. Die Standardabweichung lag bei den Untersuchungen bei 16 %.

Tab. 2: Faser-Matrix-Auszugversuch mit verschiedenen Typen von Kohlenstofffasern und PEI und PA6

Anders als es bei PVDF der Fall ist und was auf den ersten Blick auch etwas unerklärlich wirkt, werden die höchsten Festigkeiten bei dem Thermoplasten PEI mit einer Polyurethan-Schlichte (F13) und Epoxid-Schlichte (E23) erreicht. Bei den Scherfestigkeiten ist die Polyurethan-Schlichte (F13) dominierend. Eine wissenschaftliche Erklärung für dieses Phänomen kann an...

Table of contents

• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• I Kurze Darstellung
• II Eingehende Darstellungen
• III Literaturverzeichnis
• Impressum