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Liquid Composite Molding (LCM) processes, like Resin Transfer Molding (RTM) and Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI), are gaining increasing interest for the cost-efficient production of fiber reinforced polymer matrix composites, e. g. Airbus A380 rear bulkhead. Meanwhile, purpose-built thermoset resin systems with adequately low processing viscosities are available. Although showing a better fatigue resistance composites from epoxy resins (EP) tend to be expensive while vinylester resin (VE) composites are more brittle and, hence, less fatigue resistant but attract due to their lower material costs. Following research on the toughness improvement of vinylester based resin systems, one subject of this thesis was the broad experimental characterization of the static and cyclic behavior of carbon fiber reinforced composites from resin systems which were toughened by either the generation of interpenetrating networks with aliphatic (Al-EP) and cyclo-aliphatic epoxy resins (Cal-EP) or by addition of a liquid, epoxy-terminated butadiene-nitrile rubber (ETBN). While quasi-static in-plane tension, compression and shear testing of [0°]8 and [±45°]3S laminates resulted in an unclear picture with regard to the mechanical performance of the investigated resin systems, R = -1 cyclic step loading provided a definite indication of the considerably higher cyclic fatigue strength of the modified carbon fiber reinforced vinylester-urethane (CF/VEUH:ETBN) composite which, consequently, was selected for detailed mechanical testing. To provide experimental input for subsequent fatigue life simulations applying the Critical Element Concept of Reifsnider et al. [76] the study included the determination of ultimate in-plane tension, compression and shear properties as well as the characterization of the cyclic fatigue behavior under constant amplitude loading. Different descriptions of S-N curves of the [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-laminates for R = +0.1, -1 and +10 were determined to derive constant fatigue life diagrams applying methods of Goodman or Harris et al. Furthermore the residual strength degradation model for the critical element (0° ply) and the residual stiffness degradation models for the sub-critical elements have been derived by experimental determination on [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-(CF/VEUH:ETBN)-laminates. Deficiencies in current fatigue life time prediction modeling for carbon fiber reinforced materials nowadays results in large factors of safety to be adopted. As a consequence composite structures are often overdesigned and expensive proto-type testing is required for life time prediction. Therefore, in this thesis standardized random-ordered miniTWIST (minimized transport wing standard) spectrum loading was used to understand improvements in fatigue life modeling so that fatigue life prediction results in a more efficient use of these materials. In particular the influence of constant amplitude cyclic fatigue modeling as well as constant fatigue life modeling itself on the results of the fatigue life analysis of random loading sequences have been investigated. Finally the bearing of residual strength or residual stiffness degradation modeling and the effect of filtering and counting methods on the fatigue life time prediction was determined in a sensitivity analysis. The fatigue life models were validated by experimental results using the random miniTWIST-loading on [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-(CF/VEUH:ETBN)-laminates.
Bei diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen kann sowohl während des Compoundierens wie auch bei der Verarbeitung zum Fertigteil, durch Wechselwirkung zwischen den Fasern, der Fasern mit Maschinenkomponenten oder auch mit Zusatzstoffen (beispielsweise Farbpigmenten) eine Faserschädigung auftreten. Diese Interaktionen zeigen sich deutlich in der Abnahme der im Bauteil vorhandenen mittleren Faserlänge. Eine Überprüfung der Faserfestigkeit war bisher, auf Grund fehlender geeigneter Prüfmethoden bei den geringen Schlankheitsgraden bereits verarbeiteter Fasern, nicht oder nur eingeschränkt möglich. Mit einem am Lehrstuhl RPE entwickelten Mikrofaserbiegeversuch gelingt es, die Einzelfaserfestigkeit experimentell zu bestimmen. Dies bietet somit die Möglichkeit, das Schädigungsverhalten der meist spröden und kerbempfindlichen Fasermaterialien über die Verarbeitung hinweg zu untersuchen und zu quantifizieren. Da die (Rest-)Faserfestigkeit in diskontinuierlich verstärkten Bauteilen nun bestimmt werden kann, ist eine Lücke bei Berechnungen geschlossen, und das Wissen über Wirkzusammenhänge der Faserschädigung wird erweitert. Aufbau der Arbeit: In den Vorbetrachtungen zu dieser Arbeit werden zunächst kurz die Grundzusammenhänge zur Steifigkeits- und Festigkeitssteigerung der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe angesprochen und anschließend bestehende Modellvorstellungen zur Faserverstärkung bei Kunststoffen vorgestellt. Nachdem der Wissensstand zu bestehenden Messtechniken der mechanischen Fasercharakterisierung aufgezeigt ist, wird die entwickelte Messmethode des Dreipunktbiegeversuchs zur Faserfestigkeitsbestimmung ausführlich vorgestellt und deren Möglichkeiten und Einschränkungen diskutiert. Es folgt die Erläuterung der Notwendigkeit und der Vorgehensweise der statistischen Absicherung von Kennwerten spröder Verstärkungsfasern sowie die Vorgehensweise der Kennwertumrechnung auf reale Belastungen. Den Hauptteil bilden die einzelnen Untersuchungen mit jeweils anschließender Diskussion und Zusammenfassung. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit in einer ausführlichen Zusammenfassung erläutert. Durchgeführte Untersuchungen: Ein Schwerpunkt der Arbeit bildet die Überprüfung des Einflusses von Farbpigmenten, welche zur Einfärbung technischer Kunststoffe verwendet werden, auf die Eigenschaften diskontinuierlich kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und BMC. Die Literatur beschreibt diesen Sachverhalt der teilweise drastischen Festigkeits- und Zähigkeitsminderung bei Einfärbung von FKV nur phänomenologisch oder führt die Effekte alleinig auf Wechselwirkungen Pigment/Matrix zurück, wobei dies zu einem unvollständigen und zumindest teilweise auch falschen Bild der Wirkzusammenhänge führt. Der Schädigungsverlauf der Fasern bei Einfärbung mit Pigmenten, deren Härte über der des Faserwerkstoffs liegt, wird quantitativ über die Verarbeitungsschritte hinweg bis zum Prüfkörper dargestellt. Durch die Kenntnis der Faserschwächung in Verbindung mit dem verarbeitungsbedingt nun verstärkten Faserbruch kann der Verlust an Verbundeigenschaften erklärt werden. Über die Vielzahl der Untersuchungen gelingt es, die Wirkzusammenhänge empirisch zu beschreiben und Erklärungsansätze zu geben. Dabei wurden die Messreihen systematisch aufeinander aufbauend durchgeführt und Zusammenhänge herausgearbeitet. Zwar sind die Untersuchungen oft grundsätzlichen Charakters und dienen eher der Evaluierung einer Vorstellung zum Schädigungsverlauf, dennoch wurde auf die Anwendungsbezogenheit Wert gelegt. Die Kenntnis der grundlegenden Wirkzusammenhänge bietet die Möglichkeit, Regeln und Maßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Faserschädigung bei der Kunststoffeinfärbung abzuleiten. Ergebnisse werden beispielhaft an Rechnungen, die sich an bestehenden Modellen zu Festigkeit und Energieaufnahme der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe orientieren, überprüft und diskutiert. Grundlage ist hierbei die Bruchfestigkeit der Faser bei Zugbelastung. Da die an Einzelfasern durchgeführten Biegeversuche „nur“ Biegebruchspannungen ergeben, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es gelingt, von gegebenen Biegefestigkeiten in entsprechende Zugfestigkeiten umzurechnen. Der Zusammenhang wird über die effektiv belastete Faseroberfläche im Mikrobiegeversuch gegenüber der entsprechenden Fläche bei Zugbelastung geliefert. Basis der statistischen Kennwertberechnung ist hierbei die Weibullverteilung. Sie liefert eine exponentielle Verteilungsfunktion der Festigkeiten spröder Werkstoffe und ist auch für die Betrachtung der überwiegend behandelten Glasfilamente gut geeignet. Nach dem Prinzip „des schwächsten Gliedes“ geht demnach das Versagen des beobachteten Volumens vom größten Defekt innerhalb desselben aus. Voraussetzung der Anwendbarkeit ist hierbei, dass der Bruch des Materials von statistisch homogen verteilten Defekten einer Art ausgeht und nur Zugversagen auftritt (die homogene Defektverteilung bietet die Grundlage der Übertragung auf das Bauteil und damit das größere Volumen). Weitere Untersuchungen liefern Beiträge zum Recycling faserverstärkter Kunststoffe. So wird der hydrolytische Faserfestigkeitsabbau bei Kühlerwasserkästen aus PA6-GF35 betrachtet und eine Untersuchung der Faserfestigkeit nach dem SMC-Recycling (Partikelrecyclingverfahren) vorgestellt.