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J. Hatzmann:
"Identifizierung von Fehlstellen in Karbonfaser-Epoxidharz-Laminaten und Vergleich zweier Harzsysteme, sowie deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften";
Supervisor: M. Rodríguez-Hortalá, H.P. Degischer; E308, 2011; final examination: 04-28-2011.

Carbon fiber reinforced polymer composites are manufactured mainly by hand lay up. Epoxy resin is very often used as matrix material. The mechanical porperties are directly influenced by the constitution, the fiber volume fraction and the porosity of the material. The interface properties between fiber and matrix material are also very important. One of the interesting questions is the strength properties in relation to the temperature. The influence of material defects and voids is not yet fully analyzed and is investigated .
For the investigation and characterisation of the CFRP-material ten different methods are performed. Optical methods such as light optical microscopy and SEM-microfractographie for the analysis of the morphology and for the identificatin of failures and voids. Density measuring and thermogravimetrical analysis are conducted to estimate the materials fiber volume fraction and porosity. To analyse the influence of the temperature on mechanical properties thermal methods (DSC, TMA and DMA) are performed. Last but not least mechanical test methods (bending tests supported by acoustic emission measurements and short beam shear) for determination of stength and stiffness values. The methods have mainly been chosen to compare the investigated materials with each other and relate results with each other.
One of the results is the descripion of the material using light optical microscope pictures, of all three main principal planes. Some defects are found in the material. There are two sorts of voids, big pores between the fibre bundels and small voids beneath the bundels. There are also human hair, fibre ondulation, and the seam fibre bundels of the fabric used. The density, the glass transition temperature, the thermal expansion coefficient, the three point bending modulus, the four point bending modulus, the bending strength, the interlaminar shear strength and the volume fraction of the fibres, the matrix material and the voids are determined. The failure modes occuring during material testing are investigated by fractography and microfractography. The two different epoxy resins used in the investigated materials are compared regarding quality of the composite material.

Die Herstellung von Endlosfaser verstärkten Karbonfaser-Kunststoff-Verbunden erfolgt im Kleinserienbereich hauptsächlich mit dem Handlaminierverfahren. Hierfür kommen als Matrixmaterial meist Epoxidharze zum Einsatz. Die mechanischen Eigenschaften werden sehr stark von Aufbau, dem Faservolumengehalt und dem Porengehalt bestimmt. Auch die Interfaceeigenschaften zwischen Faser und Harz spielen eine große Rolle. Die Temperaturfestigkeit solcher Materialien wird genauer beleuchtet. Da der Einfluss von Fehlstellen, insbesondere von Poren, welche bei dieser Herstellungsmethode besonders oft ein Problem darstellen, in CFK Materialien noch nicht hinreichend untersucht ist, wurde auch auf diesen Aspekt der Materialien eingegangen.
Für die Untersuchung und Charakterisierung der CFK- Materialien kamen zehn verschieden Untersuchungsmethoden zum Einsatz. Bildgebende, beschreibende Verfahren (Lichtmikroskopie, REM-Mikrofraktografie) um den Materialaufbau zu untersuchen und Fehlstellen zu identifizieren. Dichtebestimmung und TGA für die Ermittlung des Faservolumenanteil und des Porengehalts. Weitere thermische Verfahren (DSC, TMA and DMA) wurden zur Untersuchung des Temperatureinflusses auf die mechanische Eigenschaften eingesetzt, und last, but not least mechanische Prüfmethoden (Biegeversuch unterstützt durch Akustische Emissionsmessung, Kurzbiegeversuch) zur Ermittlung von Festigkeit und Steifigkeit. Die Auswahl der Prüfmethoden und die Auswertung der Versuche erfolgt vor allem im Hinblick auf einen qualitativen Vergleich der Materialien untereinander.
Eines der Ergebnisse ist eine Beschreibung des Materialaufbaues mit lichtmikroskopischen Ansichten von allen drei Hauptebenen. Als Fehlstellen wurden große Poren zwischen den Faserbündeln, kleine Poren innerhalb der Faserbündel, Abschlusskanten der verarbeiteten Gewebe, ein menschliches Haar und Faserwelligkeit gefunden. Es werden die Dichte, die Glasübergangstemperatur, der Temperaturausdehnungskoeffizient, der Dreipunktbiegemodul, der Vierpunktbiegemodul, die Biegefestigkeit, die interlaminare Scherfestigkeit und die Anteile von Faser, Harz und Poren im Material bestimmt. Der Einfluss des Faservolumengehaltes und des Porengehaltes auf die mechanischen Eigenschaften wird ermittelt. Die Versagensarten bei den mechanischen Prüfmethoden werden mit Fraktografie und Mikrofraktografie ermittelt und diskutiert. Die beiden in den Proben eingesetzten Epoxidharze werden miteinander hinsichtlich der Güte es Verbundmaterials verglichen.

CFK, Karbonfaser, Epoxidharz, Laminat, Faserverbundwerkstoff, Poren, Fehlstellen, Temperaturfestigkeit