Anwendung und Optimierung der digitalen Bildkorrelation für die mechanische Prüfung keramischer Faserverbundwerkstoffe

Kurzfassung

Die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelten keramischen Faserverbundwerkstoffe IFOX und WHIPOX vereinen die herausragenden Eigenschaften von Keramiken, insbesondere die hohe Festigkeit bei extrem hohen Temperaturen, mit einer im Vergleich zu monolithischen Keramiken erhöhten Duktilität. Durch den Aufbau im Verbund mittels keramischer Fasern und Matrix weisen diese Faserverbundwerkstoffe ein für Hochleistungsanwendungen wichtiges, schadenstolerantes Verhalten auf. Das Interesse ist groß, die mechanischen Eigenschaften der entwickelten keramischen Faserverbundwerkstoffe genau abzubilden und das komplexe Verformungs- und Bruchverhalten genaustens zu verstehen. Bei der mechanischen Charakterisierung dieser Werkstoffe reichen konventionelle Messmethoden nicht aus, um die inhomogenen Dehnungen lokal genau genug aufzulösen, da diese ein zu großes Materialvolumen erfassen. Die digitale Bildkorrelation (DIC) ermöglicht die Messung vollflächiger Verschiebungs- und Dehnungsfelder und wird zur mechanischen Charakterisierung der keramischen Faserverbundwerkstoffe WHIPOX und IFOX verwendet. Es werden die vier zerstörenden Prüfverfahren uniaxialer Zug-, Drei-PunktBiege-, Kurz-Drei-Punkt-Biege- und Iosipescu-Scherversuch durchgeführt. Um die mittels DIC ermittelten Daten zu validieren, werden die mechanischen Prüfungen zeitgleich von einer konventionellen Messmethode begleitet. Ausgehend von den experimentellen Rohdaten werden die spezifischen Kennwerte je Versuch mittels selbst-generierten Python-Skripten ausgewertet und zwischen jeweiliger konventioneller Methode und digitaler Bildkorrelation verglichen. Zu den ermittelten Kennwerten gehören unter anderem die Festigkeit, die Bruchdehnung, das Elastizitäts- sowie Schubmodul, die Querkontraktionszahl. Die Rohdaten des DIC-Verfahrens werden weiterhin genutzt, um neue Informationen in Form von Diagrammen und Kennwerten zu generieren, welche bisher nicht ermittelt werden konnten. Dazu gehören die Visualisierung der Dehnungsverteilung und -änderung mittels Falschfarbenplot, die Erstellung von ZeitDehnungs-Diagrammen und die Auswertung von definierten Teilbereichen des gesamten Prüfbereichs. Anhand der ermittelten Ergebnisse wird die Anwendbarkeit der digitalen Bildkorrelation für die mechanische Prüfung der Werkstoffe WHIPOX und IFOX diskutiert und bewertet. Es konnte festgestellt werden, dass die Mittelwerte der ermittelten Kennwerte des DIC-Verfahrens und der jeweiligen konventionellen Messmethode sehr gut übereinstimmen. Auch die SpannungsDehnungs-Kurven bzw. Kraft-Weg-Kurven der Messverfahren sind bis zum Bruch deckungsgleich mit Ausnahme einzelner weniger Proben. Die erfolgreiche Anwendung des DIC-Verfahrens konnte somit eindeutig bestätigt werden. Der Mehrwert des DIC-Verfahrens wird als hoch eingeschätzt, da durch die vollflächige Erfassung von Verschiebungs- und Dehnungsfeldern neue und wichtige Informationen generiert werden können.