Behavior of Fiber-Metal-Elastomer-Hybrid-Laminates

In Automobilen und in der Luftfahrt wurde in den letzten Jahrzehnten vermehrt
auf Bauteile aus Faserverbundkunststoffen und hybriden Strukturen
gesetzt. Ziel dieses Wandels waren höhere spezifische mechanische Eigenschaften,
zur Gewichtsreduktion und Effizienzsteigerung. Eine Kombination
von verschiedenen Materialien ermöglicht eine Struktur, die optimal zu
der Belastung im Realfall passt. Eine Hybridstruktur kann durch die Kombination
unterschiedlicher Materialklassen Eigenschaften erhalten, die nicht
durch ein Einzelmaterial darstellbar sind.
Faser-Metall-Laminate (FML) werden in der Luftfahrt eingesetzt, da sie
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sehr geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeiten zulassen, was zu erhöhten
Lebensdauern und größerem Leichtbaupotential führen kann. Das bekannteste
FML, Glass Laminate Aluminum Reinforced Epoxy (GLARE), besteht
aus Aluminiumblechen und glasfaserverstärktem Epoxidharz.
Das größte Einsatzgebiet für das Laminat sind Passagierflugzeuge. Die
Kombination der zwei sehr unterschiedlichen Materialien bringt die bereits
genannten sehr guten dynamischen mechanischen Kennwerte.
Eine Verbesserung des Leichtbaupotentials des Laminats kann durch Substitution
von Glasfasern durch Kohlenstofffasern erreicht werden, da Kohlenstofffasern
höhere spezifische mechanische Eigenschaften besitzen. Allerdings
erfordert der Einsatz von Kohlenstofffasern in einem Hybridlaminat
eine Zwischenschicht, die die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
abfedern und gleichzeitig die Kontaktkorrosionsneigung senken
kann. Es wurde eine Elastomerzwischenschicht eingefügt und hinsichtlich
des Einflusses auf die Laminateigenschaften eingehend geprüft.Die Prozessroute von GLARE im Autoklav führt zu langen Zykluszeiten,
die durch eine neue Fertigungsroute drastisch reduziert werden sollten. Die
neue, im Vergleich zu GLARE, kostengünstige Herstellungsroute führte zu
fehlerfreien Bauteilen, wobei die Zykluszeit noch weiter reduziert wurde.
Die mechanischen Eigenschaften von Faser-Metall-Elastomer-Laminaten
(FMEL) wurden hinsichtlich der Eigenschaften der Einzelmaterialien ermittelt.
Ein besonderer Fokus lag auf der Grenzflächenanalyse unter diversen
Lasten, um denWiderstand gegen Delamination zu beschreiben. Nach einer
systematischen Materialauswahl wurden quasistatische Versuche genutzt,
um die mechanischen Eigenschaften des Laminats im Vergleich zu einem
Faser-Metall-Laminat (FML) ohne Elastomerschicht zu zeigen und den Einfluss
der Zwischenschicht auf die mechanischen Eigenschaften vergleichend
zu beleuchten. Die Experimente wurden von Infrarotbildgebung, CT-Scans
und Digital Image Correlation (DIC) unterstützt. Die unterstützenden Messungen
wurden genutzt um Schädigungen zu detektieren und die Schädigungsentwicklung
zu visualisieren, was zu einem tieferen Verständnis der
Eigenschaften und Mechanismen im Laminat führen sollte.
Die Eigenschaften der Einzelschichten und der Grenzflächen wurden genutzt,
um das Laminatverhalten in dynamischen Experimenten vorherzusagen.
Die dynamischen Versuche zeigten, dass durch die Elastomerzwischenschicht
die mechanischen Eigenschaften des Laminats gesteigert werden
konnten, da die duktile Zwischenschicht Delamination verhindern konnte.
Die Ermüdungseigenschaften des FMEL konnten mit theoretischen
Modellen validiert werden. Der Einfluss der Elastomerschicht wurde in
Abhängigkeit des Versuchs beschrieben und die Eingeschaftsänderung des
Laminats bewertet, um die Verbesserung des Laminats darzustellen. Die
Integration der Elastomerschicht resultierte in reduzierten quasistatischen
Eigenschaften, aber die dynamischen, Umwelt-, Grenzflächen- und Ermüdungseigenschaften
konnten gesteigert werden.

Components in automobiles and aviation have turned to fiber reinforced
polymers and hybrid structures over the last decades. The desire to obtain
high specific mechanical properties to reduce weight and gain efficiency is
fueling this aspiration. The possibility to tailor materials to fit the application
has also come to attention through combination of different materials
and resulting in a hybrid material. A hybrid structure can show properties,
which cannot be obtained by any single material. Fiber-Metal-Laminates
(FML) found their application in aviation, because the extraordinary crack
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propagation properties resulted in longer life cycles and better lightweight
potential. The most prominent FML is Glass Laminate Aluminum Reinforced
Epoxy (GLARE), which consists of aluminum sheets and glass
fiber reinforced epoxy. The combination of the two very different materials
generates properties, which cannot be obtained by one bulk material.
The laminate has extraordinary dynamic properties, such as very low crack
propagation speed and high impact resistance. The laminate structure was
desired to be further optimized through substituting the glass fibers with
carbon fibers, which possess higher specific mechanical properties. The
carbon fibers, however, force the integration of an interlayer, due to a mismatch
of coefficients of thermal expansion and corrosive properties when
paired with aluminum. In this study an elastomer interlayer was used and
the effect of the interlayer on the laminate was thoroughly examined. A materials
selection defined the constituents and the laminate succession as well
as constituent thickness in the laminate. The mechanical performance of
the fiber metal laminate with elastomer interlayers (FMEL) was examined
concerning the effect of the constituent materials. The laminates’ mechanical properties were examined with a particular focus
on the interfacial properties of the laminates under various loads to define
the resistance against delamination. Quasi-static properties were used to
qualify and describe all laminates concerning their lightweight potential,
which was used to select the best laminate. The subsequent dynamic experiments
were assisted by infrared imaging, x-ray computed tomography
(CT) scans and digital image correlation (DIC). The assisting measurements
were used to detect and describe the damage in the laminate to allow
a deeper understanding of the laminate, its constituents and the interaction
of the materials. The dynamic experiments presented an increase of mechanical
properties caused by the integration of the elastomer layer, which
prevented delamination through high strain. The constituents’ and the interfacial
properties were used to predict the laminates’ behavior. The high
fatigue properties of FMEL could be predicted by theoretical models. The
impact of the elastomer interlayer on the laminate was examined to define
benefits and disadvantages of the FMEL against the FML. The integration
of the elastomer interlayer resulted in lower quasi-static, but higher interfacial,
dynamic, environmental and fatigue properties.