Bewertung und Kompensation abweichender Wärmeausdehnungskoeffizienten in hybriden Faserverbundfügungen

Abstract

Im Bereich der Luftfahrt konnten die Treibhausgasemissionen in der Vergangenheit wesentlich durch die Nutzung bestehender Leichtbaupotentiale und den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) reduziert werden. Im Rahmen der Nutzung von intrinsischen Hybridverbunden bleiben dabei Herausforderungen aufgrund der abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der einzelnen Komponenten des Multi-Material-Designs bestehen. Um den thermisch induzierten Verzug von Hybridverbunden zukünftig genauer berechnen zu können, wird in dieser Arbeit eine alternative optische Methode zur Messung des CTE erarbeitet, welche mithilfe von auf der Probe aufgebrachten Markern die Dehnung der Probe erfasst und somit in Kombination einer Temperaturmessung der Probe, die Bestimmung des CTE ermöglicht. Neben der Planung des Versuchs wird ein entsprechender Versuchsaufbau erstellt und die Methode anschließend experimentell überprüft. Des Weiteren wird ein mögliches Konzept zum Ausgleich abweichender CTE erdacht und auf seine Durchführbarkeit und Wirksamkeit untersucht. Dabei wird eine Elastomerschicht als Dehnungsausgleich zwischen zwei Substratplatten aus FVK eingebracht, wofür ein geeignetes Material ausgewählt wird. Es werden Zugscherversuche mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen der Substratplatten durchgeführt, um die mechanischen Kennwerte des Verbunds zu steigern. Zur Beurteilung der Wirksamkeit werden Platten mit und ohne Ausgleichschicht gefertigt und dreidimensional vermessen. Die experimentelle Erprobung der alternativen Methode zur Messung des CTE zeigt, dass die thermisch induzierte Ausdehnung mithilfe des alternativen Versuchsaufbaus erfasst werden kann. Gleichzeitig ergeben sich auf Grundlage des ersten Versuchsdurchlaufs Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung, welche in der Diskussion der Ergebnisse und dem Ausblick der Arbeit beschrieben werden. Bei den Zugscherversuchen konnte mit der Plasmaaktivierung der Substratplatten und anschließendem Haftvermittlerauftrag die Schubfestigkeit bis zum kohäsiven Versagen der Proben gesteigert werden. Die Untersuchung der Wirksamkeit zeigt eine Reduktion des thermisch induzierten Verzugs. Auf Grundlage einer Berechnung durch die klassische Laminattheorie wird zudem der Einfluss der Fügetemperatur deutlich gemacht.