Fiedler, BodoBodoFiedler1202622580000-0002-2734-1353Körbelin, JohannJohannKörbelin2022-04-062022-04-062022Technische Universität Hamburg (2022)http://hdl.handle.net/11420/12183Hochleistungsfaservebundwerkstoffe sind Strukturwerkstoffe, die eine geringe Dichte mit hoher Steifigkeit und Festigkeit kombinieren. Hohe Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen an Strukturbauteile erfordern die Berücksichtigung und eine detaillierte Kenntnis der Schadenstoleranz von Materialien und Strukturen. Der multiskalige Aufbau von Verbundwerkstoffen führt zum Auftreten verschiedener Versagensarten und einem komplexen Versagensverhalten, bei dem das Matrixversagen auf der Mikroebene den Versagensprozess auf allen höheren Betrachtungsebenen beeinflusst. Folglich hat die auftretende Matrixschädigung einen entscheidenden Einfluss auf die Schadenstoleranz. Die Forschungshypothese dieser Arbeit lautet: Das Verständnis und die Anpassung des Schädigungsverhaltens der Matrix ist grundlegend für die Verbesserung der Schadenstoleranz von Hochleistungsfaservebundwerkstoffen. Um das Schädigungsverhalten der Matrix anzupassen, wurden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer mit Few-Layer Graphene (FLG) modifizierten Matrix mit Schichtdicken von Ultra-Thin-Ply (28 μm / 30 g/m2) bis Thick-Ply (220 μm / 240 g/m2) untersucht. Die FLG-Modifikation führt zu zusätzlichen Schädigungsmodi in der Matrix und erhöht so die interlaminare Energiefreisetzungsrate (ERR) der Verbundwerkstoffe unter Mode I und Mode II Belastungen. Die Modifizierung führt zu einer Erhöhung der Schadensiniitierungspannung von gekerbten Zugproben für alle Schichtdicken, wodurch der nutzbare Lastbereich vergrößert und somit die Schadenstoleranz verbessert wird. Bei Ultra-Thin-Ply Laminaten wird die Kerbfestigkeit durch eine durch Reduktion der Spannungskonzentrationen durch die Bildung von Schäden am FLG auf der Mikroskala in hochbelasteten Bereichen erhöht. Bei Low-Velocity-Schlagschäden (LVI) verringert die Modifikation bei allen Schichtdicken den auftretenden Schaden, jedoch führt dies nur bei dickschichtigen Laminaten zu einer deutlichen Verbesserung der Druckfestigkeit über alle betrachteten Schichtdicken. Als weiterer Ansatz zur Beeinflussung der Matrixschädigung wurden bioinspirierte helikoide Lagenaufbauten mit einem Winkel von 2.07° zwischen den einzelnen Lagen untersucht. Aufgrund des kleinen Winkels zwischen den Lagen unterdrücken die Laminate die Bildung von Delaminationen und es treten nur unterkritische Matrixrisse vor dem endgültigen Versagen auf. Dies führt zu einer deutlich erhöhten Druckrestfestigkeit nach LVI im Vergleich zum 45°-quasi-isotropen (QI) Lagenaufbauten, trotz eines geringeren Anteils an Fasern in Lastrichtung. Dieser geringe Anteil an Fasern in Lastrichtung führt zu einer geringen Zugfestigkeit. Bei gekerbten Proben führt das Auftreten von Matrixrissen jedoch zu einer Reduzierung der Spannungkonzentration, wodurch die Laminate nahezu keinerlei Kerbempfindlichkeit aufweisen und trotz des geringen Anteils lastorientierter Fasern ähnliche Kerbfestigkeiten wie bei 45°-QI Lagenaufbauten erreichen. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit der Einfluss der Temperatur auf den aus LVI resultierenden Schaden und die Restfestigkeit untersucht, um die Einflussfaktoren der Schadenstoleranz besser zu verstehen. Da die mechanische Leistungsfähigkeit der Matrix mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt, ist das Verhalten von CFK ebenfalls abhängig von der Temperatur. Es wurden LVIs mit Energien zwischen 8 J und 25 J und Temperaturen von -20 °C bis 80 °C untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Sensitivität des Schädigungsverhaltens zur Temperatur. Mit steigender Temperatur verkleinert sich die Delaminationsfläche und es kommt zum Faserbruch auf der Seite des Schlagschadens, was eine Reduzierung der Restzugfestigkeit zur Folge hat. Die Restdruckfestigkeit wurde bei 20 °C und 80 °C bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine erhöhte Temperatur während der Druckbeanspruchung einen entscheidenderen Einfluss auf die Restfestigkeit hat als die Schlagenergie. Um das Verständnis über den Einfluss der Temperatur auf die LVI und die Restfestigkeit zu vertiefen, wurden temperaturabhängige Materialeigenschaften bestimmt und in ein Kontinuumsschädigungsmodell (CDM) implementiert, um das progressive Versagen von CFK unter Temperatureinfluss numerisch zu beschreiben. LVI-Simulationen bestätigen, dass das Materialmodell die Schädigung bei unterschiedlichen Temperaturen und Schlagenergien sowie die anschließende Restdruckfestigkeit vorhersagen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht eine Erhöhung der interlaminaren ERR zu einer Verringerung der Delaminationsgröße führt, sondern die temperaturbedingte Veränderung der intralaminaren Schädigung und des gesamten Strukturverhaltens.High-performance composite laminates are structural materials that combine low density with high stiffness and strength. High safety and reliability requirements for structural parts require the consideration and detailed knowledge about damage tolerance of materials and structures. The multi-scale nature of composites results in the occurrence of different failure modes and a complex failure behaviour where matrix failure at the micro-level influences the failure process at all higher observation levels. Consequently, the occurring matrix damage has a decisive influence on the damage tolerance. The research hypothesis of this thesis is: Understanding and adapting the matrix's damage behaviour is fundamental to improving the damage tolerance of high-performance composites. To adapt the matrix's damage behaviour, carbon-fibre reinforced plastics (CFRP) with a few-layer graphene (FLG) modified matrix with layer thicknesses varying from ultra-thin-ply (28 μm / 30 g/m2) to thick-ply (220 μm / 240 g/m2) were investigated. The FLG modification introduces additional damage modes into the matrix and significantly increases the composites mode I and mode II inter-laminar energy release rates (ERR). The modification increases the damage initiation stress of the notched tensile specimen and the usable design space and damage tolerance. For ultra-thin-ply laminates, the notched strength is increased due to crack blunting because the FLGs initiate distributed damage on the microscale in highly stressed areas. The damage resulting from low-velocity impact (LVI) decreases with the FLG modification for all layer thickness, but only the residual compressive strength of thick-layer laminates improves. Additionally, the FLG modification leads to a considerable improvement of the compressive strength. As another approach to influence the matrix damage, bio-inspired laminates with a helicoidal layup with a pitch angle of 2.07° were realised. Due to the small angle between the ply, the laminates suppress the formation of delamination damage and only exhibit subcritical matrix cracking before final failure. As a result, the compressive residual strength after LVI is significantly increased compared over 45°-quasi-isotropic (QI) layup, despite a lower proportion of 0}{\degree} fibres in the load direction. Due to the low portion of load oriented fibres, the unnotched tensile strength is lower than 45°-QI layups. However, the formation of helicoidal matrix damage leads to crack blunting, and as a result, almost no notch sensitivity occurs, and similar notched strengths as 45°-QI layups are achieved, despite the low portion of load oriented fibres. Additionally, this thesis investigated the influence of temperature on LVI and the residual strength to further understand the influencing factors of damage tolerance. Because the matrix's mechanical performance decreases with increasing environmental temperature, the composite's damage behaviour is temperature-sensitive. LVIs with impaction energies between 8 J and 25 J and temperature ranging from -20 °C to 80 °C were investigated. A change in temperature leads to a substantial change in damage behaviour. With increasing temperature, the delamination area reduces and fibre-failure occurs on the impacted side, which reduces the residual tensile strength considerably. The compressive residual strength was determined at 20 °C and 80 °C. The results point out that an elevated temperature during compressive loading has a more decisive influence than the impaction energy. To further understand the influence of temperature on the impact damage and the residual strength, temperature- dependent material properties were determined and implemented into a continuum damage model (CDM) to describe CFRP's progressive failure under temperature influence. LVI simulations validated that the material model could predict the damage resulting from different temperatures and impact energies and following residual compressive strength. The results reveal that not an increase of the inter-laminar ERR cause a reduction in delamination size but the change in intralaminar damage and overall structural response.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Damage ToleranceThin-PlyGrapheneLow-Velocity ImpactTechnikDoctoral Thesis10.15480/882.427610.15480/882.4276Horst, PeterPeterHorstOther