Untersuchung der thermo-mechanischen Eigenschaften von partikelbefüllten thermoplastischen Verbundkunststoffen

Abstract

Im Bereich der Luftfahrt gewinnen funktionalisierte Materialien zunehmend an Relevanz, insbesondere faserverstärkte Kunststoffe (FVK) mit Partikelfüllstoffen. Diese werden dabei in erster Linie eingesetzt, um die mechanischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften eines Werkstoffs gezielt zu modifizieren. Für Drei-Komponenten-Systeme existieren jedoch bislang kaum analytische Ansätze zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE). Dieser stellt eine zentrale Kenngröße für die thermischen Eigenschaften solcher Werkstoffe dar. In der vorliegenden Arbeit werden daher analytische Modelle zur Berechnung des CTE von Zwei- und Drei-Komponenten-Systemen zusammengefasst und diskutiert. Zur Validierung werden ausgewählte Proben im Dilatometer vermessen und die Ergebnisse mit den theoretischen Ansätzen verglichen. Dabei wird für Drei-Komponenten-Systeme das jeweilige Zwei-Komponenten-System als effektive Matrix betrachtet und mit der dritten Komponente kombiniert. Auf diese Weise lassen sich Methoden zur Ermittlung erster Näherungswerte, insbesondere für Systeme mit kurzfaserverstärkten Thermoplasten, identifizieren. Ein wesentlicher Anwendungsbereich dieser Modelle liegt in hybriden Bauweisen, bei denen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten Eigenspannungen und thermisch induzierter Verzug auftreten können. Zur praxisnahen Einordnung der Ergebnisse, wird daher der thermische Verzug hybrider Strukturen in Abhängigkeit vom CTE-Mismatch untersucht. Mithilfe der klassischen Laminattheorie (CLT) wird exemplarisch der thermische Verzug von Absorbermaterialien auf CFK-Grundstrukturen im Betrieb abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Abhängigkeit des Verzugs von der Differenz der CTEs der eingesetzten Materialien: Je größer die Diskrepanz, desto ausgeprägter der thermische Verzug. Unter den betrachteten Materialien weisen Absorbermaterialien mit endlosfaserverstärkter Glasfaser die günstigsten Eigenschaften auf