Mechanische Prüfung von CFK und Faserverbundwerkstoffen

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gehören zur Gruppe der Faserverbundwerkstoffe und sind daher keine homogenen, sondern anisotrope Werkstoffe mit richtungsabhängigem mechanischem Verhalten. Festigkeit und Steifigkeit werden durch das Zusammenspiel von Faser, Matrix, Fasergehalt, Faserorientierung und Laminataufbau bestimmt. Für die mechanische Prüfung von CFK-Bauteilen reicht die Bestimmung einzelner Kennwerte daher nicht aus. Entscheidend ist eine werkstoff- und belastungsgerechte Charakterisierung unter Berücksichtigung der anisotropen Eigenschaften sowie des realen Laminataufbaus und der Beanspruchungssituation.

Während die Kohlenstofffasern die Last überwiegend in Faserrichtung tragen, bestimmt die Matrix das Verhalten quer zur Faser, die interlaminare Schubfestigkeit und das Delaminationsverhalten. Diese Eigenschaften sind häufig maßgebend für die Bauteilauslegung, die Bewertung von Schädigungsmechanismen und die Versagensanalyse. Die ermittelten Kennwerte sind stark richtungsabhängig und reagieren empfindlich auf Fertigungsabweichungen wie Porosität, Faserfehlstellungen oder Variationen im Fasergehalt. Ohne eine gezielte mechanische Prüfung von Faserverbunden besteht das Risiko, dass Streuungen, kritische Schwachstellen im Laminat oder relevante Schädigungsmechanismen nicht erkannt werden.

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Einflussgrößen auf Festigkeit und Steifigkeit

Für eine umfassende Werkstoffbeurteilung sind insbesondere folgende Parameter zu berücksichtigen:

  • Fasergehalt und Faserverteilung
  • Faserorientierung und Lagenaufbau
  • Porosität und Lufteinschlüsse
  • Qualität der Faser-Matrix-Haftung
  • Aushärtungsgrad der Matrix
  • Prüfrichtung und Probenentnahme

Bereits geringe Abweichungen im Laminataufbau oder im Aushärtungsprozess können deutliche Veränderungen der mechanischen Eigenschaften verursachen. Eine Prüfung ohne Kenntnis des Strukturaufbaus führt häufig zu Fehlinterpretationen.

 

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Prüfung der Zug- und Biegefestigkeit

Die Zugprüfung in Faserrichtung liefert Kennwerte, die stark von der Faserqualität und dem Fasergehalt abhängen. Querzug- und Schubprüfungen hingegen geben Aufschluss über die Matrix- und Grenzflächeneigenschaften.

Biegeprüfungen sind sensitiv gegenüber Oberflächenqualität, Lagenaufbau und inneren Defekten. Sie eignen sich zur vergleichenden Bewertung, ersetzen jedoch nicht die richtungsabhängige Zugprüfung.

Für eine zuverlässige Aussage ist daher die Kombination mehrerer Prüfunge erforderlich, abgestimmt auf den jeweiligen Laminataufbau.

 

Bestimmung der Steifigkeit

Die Steifigkeit eines CFK-Laminats wird maßgeblich durch:

  • Elastizitätsmodul der Faser
  • Faseranteil
  • Orientierungsverteilung
  • Laminatarchitektur
     

bestimmt.

Die Ermittlung des E-Moduls muss richtungsbezogen erfolgen. Bei mehrlagigen Laminaten ist zudem die Berechnung und experimentelle Validierung der Laminatkennwerte sinnvoll, um Abweichungen zwischen theoretischer Auslegung und realem Bauteil zu erkennen.

Dynamische Prüfverfahren können ergänzend eingesetzt werden, um strukturelle Integrität oder Veränderungen infolge Schädigung zu erfassen.

Grenzen der rein mechanischen Prüfung

Eine ausschließlich mechanische Kennwertermittlung liefert keine Aussage über die Ursachen möglicher Abweichungen. Eine reduzierte Festigkeit kann beispielsweise zurückzuführen sein auf:

  • unzureichende Aushärtung
  • erhöhte Porosität
  • Delaminationen / gestörte Faser-Matrix-Anbindung
  • Faserwelligkeit
  • veränderte Prozessbedingungen

Eine zuverlässige Bewertung erfordert daher die Verknüpfung mechanischer Prüfung mit struktureller Analyse, z. B. durch mikroskopische Untersuchungen von Schliffen oder Bruchflächen.

Zugversuch

Reproduzierbarkeit und Probenentnahme

Bei Faserverbundwerkstoffen allgemein ist die Probenentnahme ein kritischer Punkt. Proben aus unterschiedlichen Bauteilbereichen können aufgrund lokaler Faserorientierung oder Wanddickenunterschieden stark variierende Ergebnisse liefern.

Für Entwicklungs- oder Qualitätsuntersuchungen ist daher eine definierte Probenstrategie erforderlich, die Laminataufbau und Fertigungsbedingungen berücksichtigt.

Mechanische Prüfung von CFK mit ergänzender Struktur- und Schadensanalyse

Laminate und Faserverbundwerkstoff-Bauteile können bei PSM hinsichtlich Zug-, Druck- und Biegeverhalten sowie richtungsabhängiger Steifigkeit geprüft werden. Durch die Kombination aus mechanischer Prüfung, struktureller Analyse des Laminataufbaus und mikroskopischer Bewertung lassen sich Abweichungen in Festigkeit und Steifigkeit gezielt Ursachen wie Fasergehalt, Porosität oder Aushärtungszustand zuordnen.

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