WiPull | Normierung des Einzelfaser-Auszugsversuch zur Vermessung der Faser-Matrix-Haftung

Faserverbundwerkstoffe stellen ein zukunftsträchtiges Material dar und sind aus heutigen High-Tech-Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Ob Sportgeräte, Raketen, Flugzeuge aus Carbonfasern, schusssichere Westen und Crashbauteile aus Aramidfasern oder Rotorblätter für Windkraftanlagen und Baustoffe aus Glasfasern - hoch belastete Bauteile kommen nicht mehr ohne Faserverstärkungen aus. Grund hierfür sind die hervorragenden Eigenschaften der im Verbund eingebrachten Fasern. Damit diese auch zum Tragen kommen, müssen die Lasten mittels der umgebende Polymer-Matrix zwischen den Fasern verteilt werden. Für einen optimalen Lastübertrag bedarf es einer hohen Faser-Matrix-Haftung (FMH). Somit stellt die FMH eine wichtige Kerngröße der Verbundwerkstofftechnik dar. Um sie zu optimieren, muss sie messtechnisch erfasst und bewertet werden.

Derzeit ist eine Charakterisierung der FMH mittels präparativ aufwändigen und damit teuren makromechanischen Prüfverfahren oder mittels nicht-standardisierten mikromechanischen Messverfahren an Einzelfasern möglich. Eine schnelle, effektive und damit an die Bedarfe der Industrie angepasste, standardisierte mikromechanische Prüfung ist heute noch nicht verfügbar.  

Standardisierung eines Messverfahrens zur Quantifizierung der Faser-Matrix-Haftung#

Einbettstation FIMABOND (links) und Prüfgerät FAVIMAT+ (rechts)
© Textechno
Einbettstation FIMABOND (links)

Prüfgerät FAVIMAT+ (rechts)

Das Projekt WiPull im Rahmen der Förderinitiative WIPANO befasst sich mit der Ausarbeitung einer Grundlage für eine Standardisierung eines Messverfahrens zur Quantifizierung der FMH. Hierfür wird ein einzelnes Filament mit Hilfe einer entsprechenden Präparations-Anlage wohldefiniert in einen flüssigen Polymertropfen eingebettet. Nach dem Aushärten bzw. Abkühlen des Tropfens wird die Faser mit einem geeigneten Prüfgerät aus dem Polymertropfen herausgezogen, wobei Zeit, Kraft und Weg aufgezeichnet werden. Dieses Verfahren ist in der Literatur als Einzelfaser-Auszugsversuch bzw. Single Fibre Pull-Out (SFPO) Test bekannt.

Dazu wird das kommerziell verfügbare System FIMATEST des Projektpartners Textechno H. Stein GmbH & Co. KG verwendet. Dieses besteht aus der Einbettstation FIMABOND und dem Prüfgerät FAVIMAT+(siehe Abbildung).

Versuchsdurchführung: Vorgehensweise bei Pull-Out#

In der folgenden Abbildung ist die Vorgehensweise beim Pull-Out zu sehen: hier wird eine einzelne Faser in eine Polymermatrix eingebettet und im nächsten Schritt kann die Faser aus diesem gezogen werden und die Anhaftung bestimmt werden. Dabei können sowohl Thermoplaste (z. B. PP,PA, PEEK etc.) als auch Duromere (z. B. Epoxid-Harze) und sogar mineralische Matrizen (z. B. Beton) untersucht werden

Versuchsdurchführung: Vorgehensweise bei Pull-Out
© Fraunhofer IGCV
Versuchsdurchführung: Vorgehensweise bei Pull-Out

Messung der Grenzflächen-Scherfestigkeit durch mikromechanischen Pull-Out-Test#

Ein Ziel des Projektes »WiPull«, welches zusammen mit den Projektpartnern FIBRE (Faserinstitut Bremen) und Textechno bearbeitet wird, ist die Identifizierung von Stellgrößen und Einflussparametern auf die Probenpräparation sowie den eigentlichen Pull-Out Test. Die wichtigsten kommerziellen Fasern und Polymersysteme sollen zudem bei den Projektpartnern mit dem Pull-Out Test untersucht werden und die Ergebnisse anschließend in Ringversuchen miteinander verglichen werden. Mit den Ergebnissen der Analyse soll eine standardisierte Prüfung von unterschiedlichen Materialien ermöglicht werden, besonders anspruchsvolle Materialien sollen identifiziert und Hinweise zur korrekten Prüfung gegeben werden. Aus den gewonnenen Erfahrungen werden Vorgehensweisen ermittelt, wie die jeweiligen Faser-Matrix-Kombinationen reproduzierbar auf ihre Haftung getestet werden können. Des Weiteren werden die Unterschiede bzw. die Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Materialien aufgezeigt. Das Verfahren wird auf die möglichen Einflussgrößen und Sensitivitätskoeffizienten sowie die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit analysiert und evaluiert. Nach der erfolgreichen Evaluierung der Materialien und Festlegung des Prüfverfahrens folgt die Überführung in eine DIN SPEC zur Beschreibung des Messverfahrens.

Anwendung des Messverfahrens bei Fragestellungen im Bereich des Recyclings von Carbonfaserkunststoffen#

Das Verfahren wird am Fraunhofer IGCV häufig für Fragestellungen im Bereich des Recyclings von Carbonfaserkunststoffen verwendet. Es ist von großem Nutzen, da mit dem SFPO auch von wiedergewonnenen und eingekürzten recycelten Carbonfasern die Anhaftung an die verwendeten Matrixpolymere bestimmt werden kann.

Ein Beispiel für den Einsatz des SFPO:

Im Projekt »CaRinA« des Fraunhofer IGCV wurde die Faser-Matrix Haftung einer modifizierten Polypropylen-Matrix an recycelte Carbonfasern bestimmt. Dabei wird deutlich, dass der Einsatz von Maleinsäureanyhydrid als Haftvermittler die Anhaftung der Polymermatrix an die untersuchten Carbonfasern stark verbessert.

Anwendungsbeispiel am Fraunhofer IGCV
© Fraunhofer IGCV
Anwendungsbeispiel am Fraunhofer IGCV

Weitere interessante Referenzprojekte zu diesem Thema: #

 

MAI Carbon »CaRinA«

»CaRinA« Carbonfaser Recyclingwerkstoffe für industrielle Anwendungen

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