Characterization and Modeling of Fiber-Matrix Interfaces of a Glass Fiber Reinforced Sheet Molding Compound

Faserverstärkte Kunststoffe sind Kompositmaterialien, bestehend aus Fasern, einer Polymermatrix und ihres verbindenden Faser-Matrix-Interfaces, also der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix. Sie werden im Leichtbau zur Gewichtsreduzierung eingesetzt. Für die mechanische Auslegung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ist die Charakterisierung der einzelnen Komponenten notwendig, d.h. der Fasern, der Matrix und des Faser-Matrix-Interfaces. Das hier untersuchte Material ist ein glasfaserverstärktes Sheet Molding Compound (SMC). Es besteht aus in Bündeln angeordneten Glasfasern und einer Duromermatrix aus einem ungesättigtem Polyester-Polyurethan-Hybrid-Harz.
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Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die Charakterisierung des Faser-Matrix-Interfaces unter Modus II-Belastung (Schubbelastung) und Modus I-Belastung (rissöffnender Belastung). Zur mechanischen Charakterisierung werden Experimente direkt an Proben aus dem Kompositmaterial durchgeführt. In darauf aufbauenden Finite-Element-Methode-Simulationen der Mikrostruktur werden Parameter eines Kohäsivzonenmodells bestimmt.
Die Interface Charakterisierung unter Modus-II Belastung erfolgt mit Einzelfaser-Push-out-Versuchen. In anschließenden Simulationen des Einzelfaser-Push-out-Versuchs mit nachmodellierter Mikrostruktur und herstellungsbedingten thermischen Eigenspannungen werden die Parameter des Kohäsivzonenmodells bestimmt. Darüber hinaus wird der detaillierte Ablauf des Einzelfaser-Push-out-Versuchs in Simulationen untersucht, die Sensitivität der Kraft-Indenter-Verschiebungskurve bezüglich der einzelnen Modellparameter bestimmt und der Einfluss der Interfacenormalrichtung auf die Kraft-Indenter-Verschiebungskurve quantifiziert. An der Probenrückseite zeigt sich in der Simulation durch die Durchbiegung der Probe eine probendickenabhängige Interfacebelastung in Normalrichtung. Das untersuchte Kompositmaterial zeigt ein sukzessives Push-out-Verhalten mit einer kontinuierlichen Abnahme der Kraft, bis Reibung der einzige Dissipationsmechanismus zwischen Faser und umgebender Matrix ist. Simulationskurven können bis kurz nach dem Kraftmaximum an die experimentellen Kraft-Indenter-Verschiebungskurven angepasst werden.
Zur Interface Charakterisierung unter Modus-I Belastung werden Mikrosäulen mit einer keilförmigen Indenterspitze am Interface gespalten, wobei das Interface senkrecht zur Probenoberfläche liegt. Die Mikrosäulenpräparation erfolgt durch ein Focused Ion Beam (FIB). Es ist möglich, einzelne Mikrosäulen am Interface zu spalten. Die Simulation kann die Spaltung einer Mikrosäule qualitativ nachbilden; die genaue Anpassung von Interfaceparametern erfordert jedoch eine Weiterentwicklung des Simulationsmodells.
Da die Mikrostruktursimulationen ein Materialmodell für die Polymermatrix erfordern, werden Nanoindentierungsversuche am Kompositmaterial durchgeführt und ein nichtlinear-viskoelastisches Materialmodell kalibriert. Zusätzlich erfolgen auf zwei verschiedenen Größenskalen Zugversuche an Reinmatrixproben.

Fiber reinforced polymers are a composite material consisting of fibers, a polymer matrix and the connecting fiber-matrix interface. They are used in lightweight construction to reduce weight. For the design of structural components made of fiber reinforced polymers it is beneficial to characterize the mechanical behavior of fibers, matrix and the intermediate fiber-matrix interface. The investigated material is a glass fiber reinforced sheet molding compound (SMC), consisting of glass fibers arranged in bundles and a thermoset matrix out of unsaturated polyester polyurethane hybrid resin.
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This thesis focuses on the characterization of the fiber-matrix interface under mode II (shear) loading and mode I (crack-opening) loading. Therefore, an approach with experiments on the composite material, followed by finite element simulations on a microstructural level with a cohesive zone formulation to model the interface, is chosen.
The interface characterization under mode II loading is done by single-fiber push-out tests. In the push-out simulations with thermally induced residual stresses the effects of neighboring fibers and the influence of the interface normal direction on the test are investigated. In addition, the process of the push-out test is studied in detail in simulations. The composite material studied shows a successive push-out behavior with a continuous decrease in force until friction is the only dissipation mechanism between fiber and surrounding matrix. Simulation curves can be fitted to the experimental force-indenter displacement curves until shortly after the maximum force.
To characterize the interface under mode I loading, the suitability of splitting focused ion beam (FIB) milled micropillars with the interface vertically in the middle by a wedge shaped indenter tip is investigated. It is possible to split individual micropillars at the fiber-matrix interface. The simulation can qualitatively reproduce the splitting of a micropillar, the exact adjustment of interface parameters requires further development of the simulation model.
Since a material model for the polymer matrix is required in the microstructure simulations, nanoindentation tests are carried out on the composite material and a nonlinear viscoelastic material model is calibrated. In addition, tensile tests are carried out on neat matrix specimens at two different scales.