Effect of hybridization in CoDico-FRTPs: Orientation-dependent characterization and analytical modeling in various climatic conditions

Aufgrund der geringen Taktzeit bei der Prozessierung und der Fähigkeit, auch komplexe Geometrien inklusive Verrippung abzubilden, weisen langfaserverstärkte Thermoplaste (LFTs) ein signifikantes Leichtbaupotenzial für die Großserienproduktion in der Automobilindustrie auf. In Anbetracht der steigenden Nachfrage nach einer weiteren Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen wurde in den vergangenen Jahren eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften von LFT vorgenommen, um den Verbundwerkstoff für strukturelle Anwendungen zu qualifizieren. Daher wurden vermehrt Kohlenstofffasern eingesetzt, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. ... mehrIm Rahmen dieser Forschungsarbeit werden insbesondere direkt inline compoundierte LFTs (LFT-D-ILC) mit anschließendem Fließpressen untersucht, da bei diesen eine relativ hohe Faserlänge erreicht werden kann, wodurch die Eigenschaften der Fasern besser zur Geltung kommen. Allerdings ist auch bei diesen LFTs durch die thermoplastische Matrix eine hohe Sensitivität der mechanischen Eigenschaften gegenüber erhöhter Temperatur und absorbiertem Wasser zu beobachten. Ein vielversprechender Ansatz, um dieses Problem zu adressieren und zusätzlich die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren, ist Gegenstand des Graduiertenkollegs GRK 2078. Im Rahmen dessen wird die Kombination von diskontinuierlichen kohlenstofffaserbasierten LFT-Werkstoffen mit endlos kohlenstofffaserverstärkten Tapes untersucht. Die Herstellung festerer, steiferer und gegen Umwelteinflüsse robusterer Bauteile ist durch hybride Verbundwerkstoffe möglich, ohne dass die Vorteile von LFTs, wie die kurze Taktzeit und die hohe geometrische Designfreiheit, verloren gehen.
In dieser Arbeit werden zunächst die Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von LFT-D-ILC anhand von Fließgepressten Platten mit PA6 als Matrixmaterial und verschiedenen Verstärkungsfasern (CF, GF und eine Mischung aus CF und GF zu gleichen Teilen) und eines Hybriden Verbundwerkstoff aus CF-LFT verstärt mit undirektionalen Tapes unter zwei Belastungsarten (Zug und Biegung) untersucht. Im Weiteren wird durch DMA versuche im trockenen und feucht kondizionierten zustand der Einfluss von Temperatur und absorbierten Wasser in 0 und 90° orientierung untersucht. Um ein tiefgreifendes Verständnis zu erlangen, wurden die verschiedenen LFT-Materialien mithilfe etablierter Homogenisierungsmethoden modelliert. Zudem wurde der temperaturabhängige Steifigkeitsverlauf von CF-LFT und dem Hybriden mit diesen Modellen abgebildet. Da beim Fließpressen durch die Fließbewegung der Faser-Matrix-Masse eine Orientierung der Fasern stattfindet, wurden alle Versuche mit Proben durchgeführt, die in unterschiedlicher Orientierung aus den Platten präpariert wurden.
Bei allen drei LFT Materialien konnte eine starke Ausrichtung der Fasern in Fließrichtung festgestellt werden. Allerdings wich diese leicht von der erwarteten Fließrichtung ab, was auch auf Inhomogenitäten im LFT-Rohling vor dem Pressen zurückgeführt werden konnte. Im Rahmen einer Untersuchung mittels DIC- und Bruchflächenanalysen unter dem REM konnten bei mit CF verstärktem LFT Faserbündel, die während des Dispergierprozesses nicht vollständig aufgelöst wurden, als Schadensursachen für kritisches Versagen identifiziert werden. Diese Faserbündel führten zu einer deutlichen Überschätzung der Steifigkeit mit der angewandten Homogenisierungsmethode. Die Richtungsabhängigkeit der Materialkennwerte konnte auch unter dem Einfluss von Temperatur und Feuchte nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturempfindlichkeit durch Fasern reduziert werden kann, wobei der Grad der Faserorientierung in Belastungsrichtung, der Faservolumengehalt und die Faserlänge eine entscheidende Rolle spielen.
Absorbiertes Wasser führte zu einer Absenkung der Glasübergangstemperatur im PA6, die auch in den Verbundwerkstoffen sichtbar wurde. Eine Versteifung der Matrix durch Wasser bei niedrigen Temperaturen hatte keinen Einfluss auf die Verbundwerkstoffe.
Es konnte gezeigt werden, dass sich die mechanischen Eigenschaften von LFTs, insbesondere die Steifigkeit, durch die Hybridisierung mit CoDico richtungsabhängig deutlich verbessern lassen. Zudem wird die Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Feuchtigkeit reduziert. Die Hybridisierung mit CoDico erweitert somit das Anwendungsspektrum von LFT-Materialien in verschiedenen realen Szenarien, ohne die Vorteile von LFTs einzuschränken.

Due to the low cycle time during processing and the ability to create complex geometries including ribbing, long-fiber-reinforced thermoplastics (LFTs) have significant lightweight construction potential for large-scale production in the automotive industry. Against the backdrop of increasing demand for further weight reduction in vehicles, the mechanical properties of LFTs have been optimized in recent years in order to qualify the composite material for structural applications. As a result, carbon fibers with high strength and stiffness have been increasingly used. Directly inline compounded LFTs (LFT-D-ILC) with subsequent extrusion are particularly in focus here, as relatively long fiber lengths can be achieved here and the properties of the fibers can therefore be better exploited. ... mehrHowever, the mechanical properties of these LFTs are also highly sensitive to increased temperature and absorbed water due to the thermoplastic matrix. A promising approach to address this problem and to further optimize the mechanical properties is the subject of the German-Canadian Research Training Group GRK 2078, which is investigating the combination of discontinuous carbon fiber-based LFT materials with continuous carbon fiber-reinforced tapes. The production of stronger, stiffer and more robust components against environmental influences is possible with hybrid composite materials without losing the advantages of LFTs, such as the short cycle time and the high geometric design freedom.

In this work, the process-structure-property relationships of LFT-D-ILC are first investigated using compression moulded sheets with PA6 as matrix material and different reinforcing fibers (CF, GF and a mixture of CF and GF in equal parts) and a hybrid composite material made of CF-LFT reinforced with undirectional carbon fiber-reinforced tapes under two types of loading (tension and bending). Furthermore, the influence of temperature and absorbed water in 0 and 90° orientation is investigated by DMA tests in dry and wet condition. In order to gain an in-depth understanding, the various LFT materials were modelled using established homogenization methods. In addition, the temperature-dependent stiffness curve of CF-LFT and the hybrid was mapped using these models. Since the flow movement of the fiber-matrix mass during impact extrusion results in an orientation of the fibers, all tests were carried out with samples that were prepared from the plates in different orientations.

For all three LFT materials, a strong orientation of the fibers in the direction of flow was observed. However, this deviated slightly from the expected flow direction, which could also be attributed to inhomogeneities in the LFT initial charge before compression molding. As part of an investigation using DIC and fracture surface analyses under the SEM, fiber bundles that were not completely dissolved during the dispersion process were identified as the cause of critical failure in LFT reinforced with CF. These fibre bundles led to a significant overestimation of the stiffness with the homogenization method used. The directional dependence of the material properties could also be demonstrated under the influence of temperature and moisture. It could be shown that the temperature sensitivity can be reduced by fibers, whereby the degree of fiber orientation in the direction of loading, the fiber volume content and the fiber length play a decisive role.
Absorbed water led to a reduction in the glass transition temperature in PA6, which was also visible in the composites. Stiffening of the matrix by water at low temperatures had no effect on the composites.
It has been demonstrated that the mechanical properties, particularly stiffness, can be significantly enhanced in a direction-dependent manner through the hybridization to CoDico. This process also reduces sensitivity to temperature and moisture. Consequently, hybridization to CoDico expands the potential applications of LFT materials in various real-world scenarios, without limiting the advantages of LFTs.