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Die Zerbrechlichkeit faserverstärkter Kunststoffe: Wie trifft hohe Festigkeit auf Delamination?
In der Materialwissenschaft bezeichnet Delaminierung das Auftreten von Schichtversagen in Materialien. Diese Art des Versagens betrifft nicht nur faserverstärkte Kunststoffe, sondern auch eine Vielzahl von Materialien wie laminierte Verbundstoffe und Beton. Delamination resultiert oft aus Schichtstrukturen, die während der Verarbeitung entstehen, und ist ein häufiges Problem bei Kunststoffen und Metallen, die mit Technologien wie rollgeformtem Stahl oder 3D-Druck hergestellt werden.
Bei laminierten Verbundwerkstoffen versagen oft zunächst die Verbindungen zwischen den Schichten, was zu einer Trennung zwischen den Schichten führt.
Die Struktur faserverstärkter Kunststoffe besteht in der Regel aus einem hochfesten Verstärkungsmaterial (z. B. Kohlefaser oder Glasfaser) und einer schwächeren Polymermatrix (z. B. Epoxidharz). Wenn in dieser Struktur eine Last senkrecht zur Verstärkungsschicht oder eine Scherlast ausgeübt wird, neigt die Polymermatrix zur Rissbildung, und sogar die Verstärkungsfasern können sich von der Polymermatrix lösen.
Um die Auswirkungen der Delaminierung besser zu verstehen, wenden wir uns einer anderen häufigen Anwendung zu: Stahlbeton. Bei diesem Material kommt es bei oberflächennaher Korrosion der Metallbewehrung zu einer Ablösung des Betons. Wenn das Volumen des oxidierten Metalls zunimmt, erzeugt es Spannungen, wenn diese durch den Beton gehalten werden. Wenn diese Spannungen die Festigkeit des Betons überschreiten, bilden sich Risse und breiten sich aus, wodurch sich der Oberflächenbeton trennt.
Unsachgemäße Handhabung bei der Verarbeitung kann zu Materialablösungen führen, wenn sich die Oberfläche des Betons aufgrund unsachgemäßer Konstruktion ablöst.
Bei festen Materialien ist das Versagen von Schichtstrukturen aufgrund unsachgemäßer Handhabung kein isoliertes Problem, insbesondere bei additiven Fertigungstechniken (z. B. Schmelzabscheidungsprozessen), bei denen der Spalt zwischen der kühlenden thermoplastischen Schicht und dem kühlenden Substrat ebenfalls zu Temperaturunterschieden führen kann die Schichten zu trennen.
Erkennungsmethode
Die Erforschung wirksamer Methoden zur Detektion von Delamination ist eine wichtige Aufgabe in der materialwissenschaftlichen Forschung. Derzeit stehen eine Vielzahl zerstörungsfreier Prüftechniken zur Erkennung von Delamination in Strukturen zur Verfügung, darunter Sichtprüfung, Schlagprüfung, Ultraschall, Radiographie und Infrarotbildgebung. Mithilfe der visuellen Inspektion kann eine Delamination auf der Oberfläche und an den Kanten von Materialien erkannt werden, eine durch Schneiden im Inneren des Materials verborgene Delamination kann jedoch nicht erkannt werden.
Die Klopferkennung ermittelt das Vorhandensein einer Delaminierung anhand der Geräuschveränderungen beim Klopfen auf das Material. Ein heller, klingender Ton weist normalerweise auf eine gute Verbindung der Materialien hin, während ein dumpfer Ton bedeuten kann, dass etwas nicht stimmt.
Bei der Anwendung von laminierten Verbundmaterialien ist die Erkennung der Klangklarheit eine einfache und effektive Methode zur Beurteilung des Materialzustands. Die Subjektivität dieser Erkennungsmethode hängt jedoch von der Hör- und Urteilsfähigkeit des Prüfers ab, und Designänderungen des Teils können sich auch auf die Tonhöhe auswirken und dadurch die Erkennungsschlussfolgerung beeinflussen.
Schichtwiderstandstestmethode
Bei der Lösung von Schichtproblemen sind auch Methoden zur Beständigkeitsprüfung von großer Bedeutung. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) stellt eine Reihe von Standards bereit, darunter Beschichtungshaftungstests, mit denen Beschichtungen und ihre Haftung auf dem Substrat sowie die Beständigkeit gegen Delaminierung bewertet werden.
Der Biegetest ist eine wichtige Methode zur Prüfung der Bruchzähigkeit zwischen Stoffen und wird häufig bei unidirektional faserverstärkten Polymerlaminaten eingesetzt.
Darüber hinaus wird die interlaminare Scherfestigkeitsprüfung auch zur Messung der Bindungsstärke zwischen Fasern und Matrix eingesetzt. Unter verschiedenen Belastungsbedingungen können diese Tests dazu beitragen, das Potenzial für Delaminierung zu bewerten und Materialverbesserungen zu ermöglichen.
Darüber hinaus spielt bei natürlichen Materialien wie Holz auch die interlaminare Scherfestigkeit eine wichtige Rolle. Beispielsweise ist ein Bodenpaneel aufgrund seiner Struktur anfällig für Vibrationen als Reaktion auf Verformung.
Zukünftige Herausforderungen
Mit fortschreitender Technologie stehen Forscher vor immer größeren Herausforderungen bei der Verbesserung der Festigkeit und Haltbarkeit von Materialien. Wie lassen sich inhärente Materialbeschränkungen überwinden und stabilere faserverstärkte Kunststoffe erreichen? Dies wird ein langfristiges Forschungsthema und eine Frage sein, über die wir intensiv nachdenken sollten.
