Behavior of Fiber-Metal-Elastomer-Hybrid-Laminates
Creators: name: Stoll, Matthias
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Fiber-Metal-Laminate
CFRP
Aluminum
Elastomer
fatigue
mechanical testing
interfacial properties

description: In Automobilen und in der Luftfahrt wurde in den letzten Jahrzehnten vermehrt
auf Bauteile aus Faserverbundkunststoffen und hybriden Strukturen
gesetzt. Ziel dieses Wandels waren höhere spezifische mechanische Eigenschaften,
zur Gewichtsreduktion und Effizienzsteigerung. Eine Kombination
von verschiedenen Materialien ermöglicht eine Struktur, die optimal zu
der Belastung im Realfall passt. Eine Hybridstruktur kann durch die Kombination
unterschiedlicher Materialklassen Eigenschaften erhalten, die nicht
durch ein Einzelmaterial darstellbar sind.
Faser-Metall-Laminate (FML) werden in der Luftfahrt eingesetzt, da sie
sehr geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeiten zulassen, was zu erhöhten
Lebensdauern und größerem Leichtbaupotential führen kann. Das bekannteste
FML, Glass Laminate Aluminum Reinforced Epoxy (GLARE), besteht
aus Aluminiumblechen und glasfaserverstärktem Epoxidharz.
Das größte Einsatzgebiet für das Laminat sind Passagierflugzeuge. Die
Kombination der zwei sehr unterschiedlichen Materialien bringt die bereits
genannten sehr guten dynamischen mechanischen Kennwerte.
Eine Verbesserung des Leichtbaupotentials des Laminats kann durch Substitution
von Glasfasern durch Kohlenstofffasern erreicht werden, da Kohlenstofffasern
höhere spezifische mechanische Eigenschaften besitzen. Allerdings
erfordert der Einsatz von Kohlenstofffasern in einem Hybridlaminat
eine Zwischenschicht, die die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
abfedern und gleichzeitig die Kontaktkorrosionsneigung senken
kann. Es wurde eine Elastomerzwischenschicht eingefügt und hinsichtlich
des Einflusses auf die Laminateigenschaften eingehend geprüft.Die Prozessroute von GLARE im Autoklav führt zu langen Zykluszeiten,
die durch eine neue Fertigungsroute drastisch reduziert werden sollten. Die
neue, im Vergleich zu GLARE, kostengünstige Herstellungsroute führte zu
fehlerfreien Bauteilen, wobei die Zykluszeit noch weiter reduziert wurde.
Die mechanischen Eigenschaften von Faser-Metall-Elastomer-Laminaten
(FMEL) wurden hinsichtlich der Eigenschaften der Einzelmaterialien ermittelt.
Ein besonderer Fokus lag auf der Grenzflächenanalyse unter diversen
Lasten, um denWiderstand gegen Delamination zu beschreiben. Nach einer
systematischen Materialauswahl wurden quasistatische Versuche genutzt,
um die mechanischen Eigenschaften des Laminats im Vergleich zu einem
Faser-Metall-Laminat (FML) ohne Elastomerschicht zu zeigen und den Einfluss
der Zwischenschicht auf die mechanischen Eigenschaften vergleichend
zu beleuchten. Die Experimente wurden von Infrarotbildgebung, CT-Scans
und Digital Image Correlation (DIC) unterstützt. Die unterstützenden Messungen
wurden genutzt um Schädigungen zu detektieren und die Schädigungsentwicklung
zu visualisieren, was zu einem tieferen Verständnis der
Eigenschaften und Mechanismen im Laminat führen sollte.
Die Eigenschaften der Einzelschichten und der Grenzflächen wurden genutzt,
um das Laminatverhalten in dynamischen Experimenten vorherzusagen.
Die dynamischen Versuche zeigten, dass durch die Elastomerzwischenschicht
die mechanischen Eigenschaften des Laminats gesteigert werden
konnten, da die duktile Zwischenschicht Delamination verhindern konnte.
Die Ermüdungseigenschaften des FMEL konnten mit theoretischen
Modellen validiert werden. Der Einfluss der Elastomerschicht wurde in
Abhängigkeit des Versuchs beschrieben und die Eingeschaftsänderung des
Laminats bewertet, um die Verbesserung des Laminats darzustellen. Die
Integration der Elastomerschicht resultierte in reduzierten quasistatischen
Eigenschaften, aber die dynamischen, Umwelt-, Grenzflächen- und Ermüdungseigenschaften
konnten gesteigert werden.