Keywords: Biegeermüdung, mechanische Festigkeit von Verbundwerkstoffen, thermische Stabilität, Glasfasergewebe, ASTM D6272, Elektronik
EF035-DE
Abstract
In dieser Studie wird der Einfluss der Betriebstemperatur auf die Biegeeigenschaften und die Ermüdungslebensdauer von zwei Sorten Garolith-Glasfaserverbundwerkstoffen unter Verwendung eines Electroforce-Lastrahmens 3330 untersucht. An den Proben wurden monotone und sinusförmige Vierpunkt-Biegebeanspruchungen bei zwei Betriebstemperaturen durchgeführt. Biegefestigkeit, Modul und Ermüdungslebensdauer der Verbundstoffe werden gemessen und verglichen. Die Ergebnisse zeigen die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften und der Ermüdungslebensdauer bei Biegebeanspruchung. Während die Ermüdungslebensdauer beider Garolith-Sorten bei der höheren Betriebstemperatur von 100 °C deutlich abnahm, behielt die Sorte G11 einen größeren Teil ihrer Festigkeit bei als G10. Diese experimentellen Methoden und Erkenntnisse können von Vorteil sein, um ein besseres Verständnis für die Leistung von Materialien bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen in verschiedenen Anwendungen zu erlangen.
Einführung
Glasfaserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer höheren Steifigkeit im Verhältnis zum Gewicht und ihrer höheren Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Metallen, Keramik und Kunststoffen häufig als Strukturträger verwendet.[1] Garolith ist ein bekannter Hochleistungs-Glasfaserverbundwerkstoff, der aus gewebtem Glasgewebe besteht, das in verschiedene duroplastische Harze eingebettet ist. Es wird vor allem in der Elektronik, der Medizin, der Luft- und Raumfahrt und der Schifffahrt eingesetzt, weil es elektrisch isolierend, formstabil, langlebig und feuchtigkeitsbeständig ist. G10 und G11 sind zwei Sorten von Glas-Epoxid-Garolith-Laminaten, die vor allem für ihre extrem hohe Festigkeit und thermische Stabilität bekannt sind. G-11 hat eine ähnliche Zusammensetzung wie G-10, aber es werden andere Harzzusätze verwendet, um die strukturelle Stärke bei hohen Temperaturen zu erhalten.
Die Temperatur ist einer der entscheidenden Faktoren, durch die die Materialeigenschaften der Verbundstoffe beeinflusst werden können. Frühere Studien haben gezeigt, dass ein Anstieg der Betriebstemperatur die Festigkeit von faserverstärkten Verbundstoffen aufgrund der Zersetzung des Harzes und der Schwächung der Faserbindung verringert.[2] Daher erfordert die zunehmende Anwendung von Garolith oder Verbundstoffen im Allgemeinen bei höheren Temperaturen ein besseres Verständnis ihrer thermischen Stabilität. Allerdings haben nur sehr wenige Studien den Einfluss der Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften von Garolith unter Ermüdungsbelastung untersucht. Wiederholte oder zyklische Belastungen sind bei vielen Anwendungen unvermeidlich, und da Verbundwerkstoffe Schäden wie Risse und Verformungen akkumulieren, ist es wichtig, das Ausmaß der Lebensdauerminderung gründlich zu bewerten.[3] In dieser Studie werden die mechanischen Eigenschaften von zwei handelsüblichen Garolith-Verbundwerkstoffen, G10 und G11, bei zwei verschiedenen Temperaturen untersucht, insbesondere die Auswirkungen der Temperatur auf ihr Ermüdungsverhalten.
Versuchsaufbau
Zwei handelsübliche Rechteckstäbe aus Glasfaserverbundwerkstoffen, G10 und G-11, mit einem Querschnitt von 25,4 mm x 3,2 mm (von McMaster-Carr, IL USA) wurden getestet, um ihre strukturelle Stabilität bei erhöhten Temperaturen zu untersuchen. Die vom Lieferanten angegebenen Materialeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Materialeigenschaften der Garolith-Verbundstoffe
| G-10 | G-11 | |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 240-345 | 289-404 |
| Biegefestigkeit (MPa) | 310-413 | 384-528 |
| Max. Temperatur (° C) | 130 | 170 |
| * Es wurden keine Angaben zum Modul oder zur Dauerfestigkeit gemacht. | ||
An den Proben wurden bei Raumtemperatur und bei 100 °C monotone Belastung bis zum Versagen und zyklische Ermüdung bis zum Versagen in Vierpunktbiegeversuchen durchgeführt. Die Tests wurden mit einem TA Instruments ElectroForce-Lastrahmen, Modell 3330, mit einer Kraftkapazität von 3000 N und einem Ofen mit einem Temperaturbereich von -150 °C bis 350 °C durchgeführt (Abbildung 1).
Die Probengeometrie und die Prüfbedingungen entsprachen den Anforderungen der Norm ASTM D6272-17.[4] Die Stützweite betrug 54 mm bei einer Lastspannweite von 18 mm (Abbildung 2), und die geprüften Proben waren 100 mm lang, um an jedem Ende der Stützen einen ausreichenden Überhang zu haben. Die Prüfflächen der Probekörper innerhalb der Spannweite wurden nicht bearbeitet, um eine Beschädigung der oberflächennahen Fasern zu vermeiden.
Die monotone Prüfung wurde mit einer Verschiebungsrate von 0,03 mm/s durchgeführt, und die sinusförmige zyklische Ermüdungsbelastung erfolgte mit einer Frequenz von 10 Hz. Alle Ermüdungsversuche wurden unter Kraftkontrolle mit einem R-Verhältnis von 0,1 durchgeführt. Für die Hochtemperaturtests wurde der Ofen von Raumtemperatur auf 100 °C aufgeheizt, vor der Belastung 30 Minuten lang gehalten und während des gesamten Tests beibehalten. Die monotonen Testergebnisse wurden verwendet, um die maximalen Belastungswerte für die Ermüdungsversuche festzulegen. Die maximale Spannung, die während der Ermüdungsprüfung angewendet wird, liegt zwischen 25 % und 95 % der Biegefestigkeit.
Ein Vierpunktbiegeversuch mit einem größeren Bereich maximaler Spannungskonzentration trägt dazu bei, die Schwankungen der Ergebnisse aufgrund der lokalen Unvollkommenheiten in den Verbundwerkstoffen zu verringern. Die maximale Spannung und Dehnung zwischen den beiden Lastfeldern (Lastfeld von einem Drittel des Stützfelds) werden mit den Gleichungen 1 bzw. 2 berechnet. [4]
S = PL/bd2 (1)
ε = 4,7 Dd/L2 (2)
wobei S die Spannung in der äußeren Faser über die gesamte Lastspanne, P die Last an einem bestimmten Punkt der Last-Durchbiegungskurve, L die Stützweite, b die Breite des Balkens, d die Tiefe des Balkens, ε die maximale Dehnung in den äußeren Fasern und D die maximale Durchbiegung der Balkenmitte ist. Die Biegefestigkeit ist definiert als die maximale Spannung vor dem Versagen des Materials, und der Elastizitätsmodul ist das Verhältnis von Spannung und Dehnung im elastischen Bereich.
Ergebnisse und Diskussionen
Die Ergebnisse der monotonen Vierpunktbiegeversuche sind in Abbildung 3 dargestellt. Repräsentative Spannungs-Dehnungs-Verläufe der Verbundwerkstoffe G10 und G11 bei zwei Temperaturen von RT und 100 °C sind in Abbildung 3a dargestellt. Für jede Bedingung wurden drei Wiederholungstests durchgeführt. Alle wiederholten Tests wiesen reproduzierbare Spannungs-Dehnungs-Kurven auf und die Ergebnisse zeigten ein einheitliches Versagensverhalten zwischen den Proben. Die Spannung steigt linear an, bis sie die maximale Festigkeit erreicht, und fällt nach dem Versagen ab.
Bei Raumtemperatur weisen die Verbundwerkstoffe G11 eine höhere Biegefestigkeit von 487,1 ± 9,9 MPa auf als G10 mit einer Bruchspannung von 409,0 ± 2,4 MPa (Abbildung 3b). Obwohl beide Verbundstoffe innerhalb ihrer Betriebstemperatur getestet werden, fällt die Biegefestigkeit bei einer höheren Temperatur von 100 °C deutlich ab. Allerdings schneidet G11 deutlich besser ab und behält ~80 % seiner strukturellen Festigkeit, während G10 nur 68 % seiner Festigkeit beibehält. Es ist bemerkenswert, dass der Biegemodul beider Verbundstoffe bei der höheren Betriebstemperatur abnimmt, obwohl er unter der vom Hersteller angegebenen maximalen Betriebstemperatur liegt. Die Versuchsergebnisse stimmen bei Raumtemperatur mit den vom Lieferanten in Tabelle 1 angegebenen Materialeigenschaften überein, jedoch verschlechtert sich die strukturelle Festigkeit beider Verbundstoffe bei 100 °C, also weit unterhalb der angegebenen maximalen Betriebstemperatur.
Es wurden Vierpunktbiegeermüdungsversuche mit kontinuierlicher Belastung durchgeführt, um Schäden im Verbundwerkstoffsystem zu akkumulieren und die Lebensdauer bis zum Versagen bei verschiedenen Spannungsniveaus zu bewerten. Die ersten Ermüdungsversuche wurden mit 95 % der durchschnittlichen Biegefestigkeitsspannung (Proportionalitätsgrenze) durchgeführt, die bei den Monotonieversuchen erreicht wurde. Ausreichend hohe Ermüdungsspannungen, die zwischen 25 % und 95 % der proportionalen Grenzspannung lagen, wurden verwendet, um sicherzustellen, dass bei zyklischer Belastung ein Versagen auftritt. Bei einem Belastungsverhältnis von 0,1 wurde die obere Fläche, die mit dem Lastfeld in Kontakt ist, auf Druck beansprucht, während die andere Fläche, die mit dem Stützfeld in Kontakt ist, auf Zug beansprucht wurde. Die Ermüdungslebensdauer jeder Probe wird als die Anzahl der Zyklen bis zum endgültigen Versagen angegeben.
Abbildung 4 zeigt die Ermüdungslebensdauer (Zyklen bis zum Versagen) als Funktion der maximalen Ermüdungsspannung (S-N-Kurve) für jeden Verbundstoff bei zwei Temperaturen. Die S-N-Kurven zeigen einen Vergleich zwischen den Ermüdungseigenschaften der einzelnen Verbundstoffe bei verschiedenen Temperaturen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zyklen bis zum Versagen mit zunehmender Spannung in allen Fällen abnehmen; bei Raumtemperatur schneidet das G11 im Vergleich zum G10 jedoch deutlich besser ab, was die Ermüdungslebensdauer angeht. Außerdem behält G11 eine höhere Zahl der Ermüdungslebensdauer bei Dauerbetriebstemperaturen von 100 °C. Bei einer Ermüdungsbeanspruchung von 200 MPa bei einer Temperatur von 100 °C im Vergleich zur Raumtemperatur verringert sich die Ermüdungslebensdauer von G10 beispielsweise um 91 %, während sie bei G11 nur um 46 % sinkt. Alle Proben versagten nach weniger als 2 Millionen Zyklen, selbst bei einem Spannungsniveau von nur 25 % für die Biegefestigkeit. Daher sind Versuche mit längerer Dauer und niedrigeren Spannungsniveaus erforderlich, um die Materialfestigkeit für Anwendungen angemessen zu bewerten, bei denen die zyklische Belastung in der Praxis über 2 Millionen Zyklen hinausgehen könnte.
Fazit
Die monotone Belastung bis zum Versagen und die zyklische Ermüdung bis zum Versagen bei Vierpunktbiegung wurden an zwei Garolith-Verbundwerkstoffen (G10 und G11) bei zwei verschiedenen Temperaturen Raumtemperatur und 100 °C durchgeführt. G11 weist im Vergleich zu G10 bei Raumtemperatur eine höhere Biegefestigkeit auf und behält seine höhere Festigkeit bei 100 °C bei. Ermüdungsbrüche treten bereits vor 2 Millionen Zyklen auf, wenn die Belastung nur 25 % der monotonen Biegefestigkeit beträgt, und eine Dauerfestigkeit wurde nicht beobachtet. Daher sind längere Tests erforderlich, um die Ermüdungsgrenzen für Anwendungen mit mehr als 2 Millionen Zyklen zu verstehen. Die Ermüdungslebensdauer von Verbundwerkstoffen sinkt bei höheren Temperaturen. G11 behielt seine strukturelle Festigkeit bei einer höheren Betriebstemperatur von 100 °C deutlich besser bei. Die Ergebnisse der Vierpunktbiegeversuche zeigen, dass die Temperatur einen signifikanten Einfluss auf die Biegefestigkeit und die Ermüdungslebensdauer der Garolith-Verbundstoffe hat. Die Ergebnisse zeigen, dass die in Tabelle 1 angegebenen Spezifikationen der Lieferanten möglicherweise nicht für den gesamten angegebenen Temperaturbereich gelten. Deshalb ist es wichtig, die Materialien bei verschiedenen Betriebstemperaturen zu testen, um ein besseres Verständnis für die Leistung der Materialien zu bekommen.
Zukunftsaussichten
Eine umfassendere Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf den Modul und die viskoelastischen Eigenschaften mit Hilfe von Methoden der dynamische mechanischen Analyse (DMA) wird in einem separaten Anwendungshinweis veröffentlicht. Die dynamische mechanische Analyse gibt einen besseren Einblick in die Glasübergangstemperatur und die Materialeigenschaften in der Nähe und jenseits der maximalen Auslegungstemperaturen.
Literaturhinweise
- Paradiso A, Mendoza I, Bellafato A, Lamberson L. Failure behavior of woven fiberglass composites under combined compressive and environmental loading. Journal of Composite Materials. 2020;54(4):519-533. doi:10.1177/0021998319878771
- Zhou F, Zhang J, Song S, Yang D, Wang C. Effect of Temperature on Material Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Tendons: Experiments and Model Assessment. Materials (Basel). 2019;12(7):1025. Published 2019 Mar 28. doi:10.3390/ma12071025
- Rasheduzzaman, Mohammad, and M. N. Cavalli. “Failure Mode Transition in Fiber Composite Fatigue.” Fracture, Fatigue, Failure, and Damage Evolution, Volume 5. Springer, Cham, 2015. 165-172.
- ASTM D6272-17 (2017) Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending. ASTM International, West Conshohocken.
Danksagung
Dieser Artikel wurde von Dr. Soheil Daryadel, Applications Support Scientist bei TA Instruments, verfasst.
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