Verformungsverhalten von Polymeren - WWW-Docs for TU

Faserverstärkte Polymere
1
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Prinzip von Verbundwerkstoffen
• Verstärkungsstoff und Matrix ergeben zusammen neue Werkstoffe
• Composite erreichen höheres Eigenschaftsniveau als die Konstituenten
 Prinzip: „1 + 1 = 3 oder 5 oder 9“
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Füllstoffe und Verstärkungsstoffe
Zweck von Füllstoffen:
- Reduzierung der Kosten
- Reduzierung der Schrumpfung
- Erhöhen oder Verringern der Dichte
- Beeinflussung der thermischen und elektrische Eigenschaften
Zweck von Verstärkungsstoffen:
- Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
Voraussetzung für erfolgreiche Verbundkonzepte:
- Die zu optimierende Eigenschaft sollte sich zwischen Matrix und
Verstärkungsstoff um einen Faktor > 3 unterscheiden
- Anteil von jeweils mindestens 10 % einer Phase (Matrix und Verstärkungsstoff)
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Einteilung nach Geometrie der Verstärkungskomponente
Schematische Darstellung von Verbundwerkstoffen mit Verstärkung durch:
Endlosfasern (unidirektionale / orthotrope Laminate), Langfasern (2 – 50 mm),
Kurzfasern / Whisker (< 2 mm), Teilchen (Aspektverhältnis ~ 1)
4
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Häufigste Werkstoffkombinationen
Faser
Matrixwerkstoffe
Glasfasern
Reaktionsharze / Duroplaste
Kohlenstofffasern
Thermoplaste
Naturfasern
Biopolymere
Aramidfasern
Elastomere
Metallfasern
Keramiken
Keramikfasern
Metalle
Mineralfasern
Beton
Beispiele:
• Glasfaserverstärkter Kunststoff
• Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
• Metal Matrix Composite
• Ceramic Matrix Composite
• Stahlbeton
5
(GFK / GRP)
(CFK / CRP)
(MMC)
(CMC)
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Warum Fasern?
Viele Werkstoffe werden fester und/oder steifer wenn ihr Querschnitt sehr klein wird
Ursachen:
- Ausnutzung von Anisotropie (z.B. bei Kohlefasern)
- Ausnutzung von Größeneffekten auf die Zugfestigkeit (z.B. Glas/Keramikfasern)
- Reduzierung der festigkeitsbestimmenden Substrukturgröße (z.B. Metalle)
Beispiele:
Graphit (bulk)
Graphit (fiber)
E ~ 10 Gpa
E ~ 300 Gpa
Re ~ 50 MPa
Re ~ 4000 MPa
ρ ~ 1,8 g/cm³
ρ ~ 1,8 g/cm³
UHMW-PE (bulk)
UHMW-PE (fiber)
E = 0,8 GPa
E ~ 95 GPa
Re = 22 MPa
Re ~ 3000 MPa
ρ = 0,94 g/cm³
ρ = 0,97 g/cm³
 Anstieg von Steifigkeit und Festigkeit z.T. um Faktor 100!
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Funktionen von Matrix und Fasern
Aufgaben der Matrix:
- Fixierung der Faser im Werkstoff
- Abstützung der Faser gegen
Knicken bei Druckbelastung
- Lasteinleitung und Übertragung der
Lasten zwischen Fasern
- Schutz der Faser
Aufgaben der Faser:
- Tragen der Zug-Druck-Lasten
Matrixwerkstoff hat Haupteinfluss auf:
- Oberfläche
- Formgebung
- Temperaturbeständigkeit
- Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit
- Flammenhemmendes Verhalten
- Schlagzähigkeit / Energieabsorption
Faserwerkstoff hat Haupteinfluss auf:
- Steifigkeit
- Festigkeit
- Wärmeausdehnung
- Schlagzähigkeit / Energieabsorption
7
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Vernetzung von Polymeren
Polymerisation
•
Gleiche oder gleichartige Reaktionspartner mit reaktionsfähigen Doppelbindungen
•
Kettenreaktion – ein Reaktionsschritt initiiert den anderen
•
Keine Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte
•
Verknüpfung vorwiegend über C – C Bindungen
Polyaddition
•
Verschiedenartige bi- und mehrfunktionelle Monomere mit reaktionsfähigen Endgruppen
•
Stufenreaktion - jeder Reaktionsschritt ist unabhängig vom anderen
•
Keine Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte
•
Verknüpfung vorwiegend über Heteroatome (O oder N) in der Hauptkette
Polykondensation
•
Verschiedenartige bi- und mehrfunktionelle Monomere mit reaktionsfähigen Endgruppen
•
Stufenreaktion - jeder Reaktionsschritt ist unabhängig vom anderen
•
Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte (meist H2O)
•
Verknüpfung vorwiegend über Heteroatome (meist O) in der Hauptkette
8
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Unterscheidung der Matrixsysteme
Thermoplaste
• Makromoleküle ohne chemische Bindung untereinander
• „gefrorene Schmelze“  Glasübergangstemperatur
• schmelzbar, Formgebung reversibel
• teilkristallin / amorph
Duroplaste (Reaktionsharze)
• Reaktionshärtung
• Makromoleküle mit chemischer Bindung untereinander
• makroskopisches Netzwerk
• unschmelzbar, Formgebung irreversibel
Thermoplaste
amorph
Elastomere
Duroplaste
 Vernetzungsbrücken
teilkristallin
9
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verformungsverhalten von Polymeren
• Verformungsverhalten von Polymeren
ist viskoelastisch und viskos
• Beschreibung des Verformungsverhaltens
über Kombination aus Federn und Dämpfern
10
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verformungsverhalten von Polymeren
11
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanische Eigenschaften von Polymeren
12
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanische Eigenschaften von Polymeren
Im Gegensatz zu Metallen weisen
Polymere meist keinen linear
elastischen Bereich mit konstanter
Steigung auf.
Der E-Modul wird daher über die
Steigung der Ursprungstangente
definiert.
13
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Eigenschaften von Matrixwerkstoffen
Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit (Dehnrate) haben großen Einfluss auf
die mechanischen Eigenschaften von Polymeren (insbesondere Thermoplasten)
Einfluss der Temperatur
Einfluss der Dehnrate
Beide Effekte sind bei Duroplasten deutlich schwächer ausgeprägt
 Besser als Matrixmaterial für hochbeanspruchte Verbundwerkstoffe
14
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanische Eigenschaften von Polymeren
15
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Eigenschaften von duroplastischen Polymeren
…
16
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Eigenschaften von duroplastischen Polymeren
…
UP = Ungesättigte Polyester, VE = Vinylester
17
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verstärkungsfasern – Glas
• Glasfasern werden aus geschmolzenem Glas
gezogen (Schmelzspinnen)
• Mechanische Kennwerte in Quer- und
Längsrichtung identisch (Isotropie)
• Sehr hohe Festigkeit aber E-Modul geringer
als bei vielen anderen Fasern (70 – 90 GPa)
• Gute Temperaturbeständigkeit
(Eigenschaften bis ca. 250 °C stabil)
• Anwendungen überall dort wo hohe
Festigkeiten aber keine sehr hohen
Steifigkeiten gefordert sind
• Relativ kostengünstige Herstellung
18
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verstärkungsfasern – Aramid
• Aramdifasern bestehen aus PPTA-Polymeren
(PPTA = Polyphenylenterephthalamid)
• Fasern sind stark anisotrop durch Streckung
der Moleküle und Filamentstruktur
 E-Modul radial zu axial ca. 10 : 1
 Sehr geringe Druckfestigkeit
• In Relation zu anderen Verstärkungsfasern sehr geringe Dichte (ca. 1,4 g/cm³)
• Sehr gute Temperaturbeständigkeit (Eigenschaften bis ca. 300 °C stabil)
• Sehr gute Chemikalienbeständigkeit über weiten pH-Bereich
• Sehr hohe Zähigkeit (Energieabsorption)  Einsatz in schusssicheren Westen
• Aramidfasern neigen zu Feuchtigkeitsaufnahme was Haftfestigkeit beeinträchtigt
19
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verstärkungsfasern – Kohlenstoff
• Herstellung durch Carbonisieren hochmolekularer
organischer Precursor wie Polyacrylnitril (PAN)
• C-Fasern sind sehr spröde und bei Verarbeitung
sehr knickempfindlich (daher Beschichtung)
• Progressives Spannungs-Dehnungs-Verhalten
 E-Modul steigt mit zunehmender Spannung
• Zugfestigkeit und E-Modul stark von
Behandlungstemperatur abhängig
• Fasern sind hochgradig anisotrop
 E-Modul radial zu axial ca. 20 : 1
• Anwendung überall dort wo höchste
Festigkeit oder Steifigkeit erforderlich
20
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verstärkungsfasern – Kohlenstoff
4 Klassen von C-Fasern:
HT-Fasern:
hochfeste Kohlenstofffasern
(engl. high tenacity),
Standardfasern
ST-Fasern:
höhere Festigkeit als HT-Fasern
(engl. super tenacity)
IM-Fasern:
höherer Modul als HT-Fasern
(engl. Intermediate modulus)
HM-Fasern:
hochsteife Fasern
(engl. high modulus)
21
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verstärkungsfasern – Eigenschaften im Vergleich
*
Glasfasern vs. Kohlenstoff / Aramidfasern:
- Spezifische Festigkeit um ca. Faktor 2 geringer
- Spezifische Steifigkeit um Faktor 3 bis 8 geringer
- Glasfaser jedoch weitaus kostengünstiger
22
**
Starke Anisotropie:
*) Eradial: 12 - 20 GPa
**) Eradial: 10 GPa
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Laminateigenschaften
23
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Laminateigenschaften
Herstellung von Faserverbundkunststoffen erfolgt oft über textile Halbzeuge
TFP = Fiberplacement Technologien, MAG = Multiaxial-Gelegeverfahren
24
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Laminateigenschaften
Herstellung von Faserverbundkunststoffen erfolgt oft über textile Halbzeuge
TFP = Fiber Placement Technology, MAG = Multiaxial-Gelegeverfahren
25
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanik von Faserverbundwerkstoffen
Axiale Belastung (in Faserrichtung):
Beide Komponenten müssen gleiche Dehnung aufweisen („Voigt Modell“):
(1)
 3,c   3,m 
 3,m
Em
  3,c 
 3, f
E3, f
Die gesamte aufgenommene Spannung ist additiv:
(2)
 3,c  (1  V f ) 3,m  V f  3, f
Der E-Modul des Verbundwerkstoffs lässt sich ausdrücken als:
(3)
E3,c 
 (1  V f ) 3,m

 3,c (1  V f ) 3,m  V f  3, f

 E3, f 
Vf 
 3,c
( 3,m / E3, f )
  3, f

Unter Verwendung von Gleichung (1) folgt als Mischungsregel:
(4)
Indizes:
c: Composite
f: Faser
m: Matrix
E3,c  (1  V f ) Em  V f E3, f
 Addition der E-Modulen
26
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanik von Faserverbundwerkstoffen
Transversale Belastung (quer zur Faserrichtung):
Beide Komponenten müssen gleiche Spannung aufweisen („Reuss Modell“):
(5)
 2,c   2, f   2, f E2, f   2,m   2,m Em
Die gesamte Dehnung in Richtung 2 ist additiv:
(6)
 2,c  (1  V f ) 2,m  V f  2, f
Berechnung der Mischungsregel:
 (1  V f ) 2,m V f  2, f 
  2 ,c  


E2 , c
E
E

m
3, f 

Aus gleicher Spannung aller Komponenten (Gleichung (5)) folgt:
(7)
(8)
 2 ,c
 (1  V f ) V f 
1



E2,c  Em
E2, f 
 Addition der inversen E-Modulen
27
Indizes:
c: Composite
f: Faser
m: Matrix
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Mechanik von Faserverbundwerkstoffen
Rechenbeispiel:
E-Modul von unidirektional Glasfaserverstärktem Kunststoff (Faseranteil 60 vol.%)
E-Modul Faser:
E-Modul Matrix:
86 GPa (S-Glas)
4 GPa (Epoxid)
Axiale Belastung:
E3,c  (1  Vf )Em  Vf E3,f  (0, 4  4)GPa  (0,6  86)GPa  53, 2GPa
Transversale Belastung:
E 2,c
 (1  Vf ) Vf


E
E 2,f

m
1
1

0, 6 
 0, 4

 
  9,3GPa
4GPa
86GPa



Axialer E-Modul um
mehr als Faktor 5
größer als transversaler E-Modul
Effekt bei elastisch anisotroper Faser (z.B. Kohle- oder Aramidfaser) noch stärker!
28
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Haftung zwischen Faser und Matrix
Die Haftung zwischen Faser und Matrix ist entscheidend für die mechanischen
Eigenschaften und insbesondere die Schadenstoleranz des Verbundwerkstoff.
Sehr schwache Haftung:
Unzureichende Kraftübertragung zwischen Matrix und Faser
Unzureichende Lastverteilung zwischen den Fasern
 Fasern tragen nicht mehr zur Steifigkeit / Festigkeit bei
Sehr starke Haftung:
Bei Beschädigung der Matrix (Riss) steigt Spannung in Faser sprunghaft hat
 Faser versagt (ebener Dehnungszustand)
Optimum:
Für effektive Faserverstärkung muss sich Faser bei hohen
lokalen Spannungen von der Matrix ablösen können.
 Faser wird über größere Länge belastet und kann mehr
Energie über eine größere Rissöffnung aufnehmen.
 Fasern werden häufig beschichtet zur Einstellung einer
„optimalen“ Haftung.
29
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Bruchverhalten von Verbundwerkstoffen
30
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verarbeitung von Faserverbundkunststoffen
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Prepreg-Technologie
Als Prepreg (preimpregnated) werden flächige Fasergewebe, -gelege oder Matten
bezeichnet die bereits in einem vorgeschaltetem Tränkungsprozess mit einer Matrix
imprägniert wurden.
• Ermöglicht sehr geringe Porengehalte und
hohe Faseranteile (z.B. 60% C-Fasern)
 Beste mechanische Eigenschaften
• Bei Duromerprepregs trotz Kühllagerung sehr
begrentze Verarbeitungszeit (6 - 12 Monate)
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Verarbeitungsverfahren (nach Bauteilanzahl)
33
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Offene Verarbeitungsverfahren
Kennzeichen offener Verfahren:
• Handlaminieren oder Faserspritzen
• Verwendung offener Formen
• Stark handwerklich geprägt
• Qualität der Formteile abhängig vom Werker
• Einseitig glatte Oberflächen (Formseite)
Vorteile:
• Geringe Investitionskosten
• Relativ flexible Reaktionen möglich
• Komplexe Formen und Bauteilgeometrien möglich
• Einsatz nicht limitiert auf bestimmte Fasern/Harze
• Einbringung von Sandwiches & Schäumen möglich
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Faserspritzen
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Faserspritzen
Faserspritzen: Teilmechanisierte Variante des Handlaminierverfahrens
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Resin Transfer Moulding (RTM) Verfahren
Kennzeichen von Harz-Injektionsverfahren:
• Verwendung geschlossener Gießformen
• Injektion (hoher Druck) oder Infusion (Vakuum) in geschlossene Formen
• Verwendung von Endlosfasermatten, Gewebe oder speziell entwickelten
Komplexen
Vorteile:
• Einhaltung relativ enger Toleranzen
• Gleichbleibende Bauteilqualität
• Beidseitig „glatte“ Oberflächen
Front- und Heck-Stoßfängerträger (BMW)
• Herstellung von höchstbelasteten Großbauteilen
möglich (z.B. Seitenleitwerkanbindung)
• Verwendung unterschiedlichster Fasern & Harze möglich
• Einbringung von Inserts/ Sandwicheinlagen
• Geringere Emissionen gegenüber „offenen Verfahren“
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Folieninfusion
• Stückzahl zu klein und zu aufwendig für Pressverfahren
• Zeitersparnis gegenüber „offenen Verfahren“
• Hohe Fasergehalte möglich
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Harzinjektionsverfahren
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Harzinjektionsverfahren
•
•
•
•
•
Stabile ober und Unterform
weniger Abfall als bei Folieninfusion
Wiederverwendung der Form
Verwendung beidseitiger Gelcoats
Relativ kurze Zykluszeiten möglich
Spoiler für Smart
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Pultrusions-Verfahren
•
•
•
•
•
Realisierung von beliebigen Querschnittsgeometrien
Hoher Fasergehalt (meist Glas) und damit hohe mechanische Steifigkeit
Gleichbleibende Bauteilqualität
Relativ günstige Bauteilfertigung durch kontinuierliche Fertigung
Hohe Investitionskosten
41
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Pressverfahren
• Sehr unterschiedliche Verarbeitungsweisen:
• SMC (Sheet Molding Compound)
• BMC (Bulk Molding Compound)
• GMT (Glasfasermatten Thermoplast)
• LFT (Langfasermatten Thermoplast)
• Nasspressen
• …
• Verwendung geschlossener Presswerkzeuge
• Relativ schnelle Zykluszeiten
Kofferraumdeckel (SMC)
• Verwendung überwiegend in (Klein-) Serienfertigung
• Konstante Bauteil- und Oberflächenqualität / Einhaltung enger Toleranzen
• Relativ hohe Investitionen für Pressen, Werkzeuge und Peripherie
• Mehrere „Arten“ des Pressverfahrens möglich (Halbzeuge, Zuschnitte, Preforms)
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Pressverfahren
Nasspressverfahren schematisch:
Heißpressen (BMC/SMC) schematisch:
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Herstellung von Honeycomb-Sandwichbauteilen
1
2
1. Kleben: Aramidpapier wird mit speziellem Klebstoff
bedruckt und versetzt gestapelt.
2. Pressen: Aramidpapier wird gepresst wodurch sich die einzelnen
Seiten verbinden.
3. Expandieren: Papiere werden auseinander gezogen wodurch ein
Wabenblock entsteht.
4. Tauchen und Härten: Block wird in Harz (meist PF) getaucht und
im Ofen ausgehärtet. Prozess kann mehrfach wiederholt werden.
4
3
44
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Polymere Matrixwerkstoffe
45
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Herstellung von Honeycomb-Sandwichbauteilen
Wabenstruktur weist hohe Druckfestigkeit aber geringe Steifigkeit auf.
Bekleben und Verpressen mit Prepregs
Mech. Eigenschaften einstellbar über:
• Höhe der Wabenstruktur
• Harzanteil der Wabenstruktur
• Art des Prepregs (CFK / GFK)
• Dicke des Prepregs (Anzahl Lagen)
46
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus
Anwendungen von Honeycomb-Sandwichbauteilen
Rumpf- und Mastelemente
Geräuschdämmung
Türenelemente und Rotorblätter
Innen- und Fensterverkleidung
47
Brandenburgische
Technische Universität Cottbus