On the Characterization and Modeling of Interfaces in Fiber Reinforced Polymer Structures

Faserverstärkte Kunststoffe bieten insbesondere mit kontinuierlicher Faserverstärkung ein enormes Potential, um leichte und gleichzeitig steife und feste Strukturen zu erzeugen, weswegen sie in der Fahrzeugbranche in hochbelasteten Bauteilen Verwendung finden. Darüber hinaus sind im semistrukturellen Bereich auch häufig diskontinuierlich faserverstärkte Kunststoffe vorzufinden, da sie hier im Vergleich zu kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen, aber auch im Vergleich zu Metallen kostengünstiger herzustellen sind. Eine neue, hybride Werkstoffklasse zielt nun darauf ab, die Vorteile diskontinuierlicher mit den Vorteilen kontinuierlicher Faserverstärkung zu verbinden. ... mehrDurch die Funktionalisierung kontinuierlicher Faserverbunde als hauptlasttragende Verstärkung einer diskontinuierlich langfaserverstärkten Grundstruktur lassen sich kostengünstige, aber leistungsfähige Faserverbundstrukturen herstellen. Derartige kontinuierlich-diskontinuierlich langfaserverstärkte Kunststoffe weisen verschiedenartige innere Grenzflächen auf, welche sich insbesondere auf das Versagensverhalten der Struktur auswirken. Um sichere Auslegungsverfahren für diese Werkstoffklasse entwickeln zu können, ist es daher notwendig, die inneren Grenzflächen untersuchen und beschreiben zu können.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Methoden, innere Grenzflächen von Faserverbundkunststoffen zu charakterisieren und zu modellieren und wendet diese auf werkstoffklassenspezifische Materialien und Herstellungsprozesse an. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen der Faser-Matrix-Grenzflächen sowie der interlaminaren Grenzflächen von kontinuierlich verstärkten Schichtverbunden durchgeführt und auf die weitere Verwendbarkeit im Produktentwicklungsprozess hin untersucht. Es wird ein kombinierter experimentell-numerischer Ansatz verfolgt, um einerseits die experimentellen Ergebnisse zu validieren und andererseits eine vorteilhafte Modellierung des Materialverhaltens zu untersuchen.

Fiber reinforced polymers and especially continuous fiber reinforced polymers feature high stiffness-to-weight and strength-to-weight ratios. Hence, they are considered promising materials for the design and manufacture of lightweight components for the transportation sector. Furthermore, discontinuous fiber reinforced polymers are widely used for semi-structural parts due to their cost-efficient manufacturing capabilities compared to both continuous fiber reinforced polymers and metals. A new hybrid material class aims to combine the specific advantages of continuous and of discontinuous fiber reinforced polymers. ... mehrHere, continuous fibers reinforcing the main load paths of a discontinuous long fiber composite component allow for cost-efficient, yet high-performing and lightweight fiber reinforced polymer structures. Such continuous-discontinuous long fiber reinforced polymer structures possess a wide range of internal interfaces, which affect the structure's fracture behavior. In order to develop design and simulation methodologies for this material class, reliable methods are required to characterize and model the materials internal interfaces.
The thesis at hand considers methods to characterize and model such interfaces and applies them to the materials and manufacturing processes specific for this novel material class. Therefore, experimental investigations on the fiber-matrix interfaces as well as on the lamina interfaces of continuous fiber reinforced polymers are conducted and analyzed regarding their usability in the product development process. A combined experimental-numerical approach is used to validate the experimental results on the one hand and to analyze the advantageous modeling schemes of such materials on the other hand.