Hochleistungs-Verbundstrukturen für hohe Temperaturlasten

Ausgangslage

Steigende Anforderungen an Faserverbundwerkstoffe für Hochtemperaturanwendungen wie Flugzeugtriebwerksverkleidungen, legen die Wahl von Matrixsystemen mit hohen Glasübergangstemperaturen von bis zu 400°C nahe. Dieser Materialkennwert geht jedoch häufig einher mit einer verringerten Bruchzähigkeit, weshalb im Rahmen des europäisch geförderten Projekts SuCoHS ein carbonfaserbasiertes, Dünnschichtprepreg mit modifizierten Kunststoffen entwickelt wurde, das einen optimierten Kompromiss dieser zwei Eigenschaften aufweist.

Ziele

Das Projekt SuCoHs hat als Ziel mit einer Reihe von Massnahmen die Einführung von polymerverstärkten Faserverbundwerkstoffen in Bereichen mit hohen Temperaturlasten einzuführen, in welchen momentan mehrheitliche Metalle eingesetzt werden. Die erwähnten Massnahmen enthalten nicht nur die Entwicklung von auf Hochtemperaturanwendungen angepassten Materialien, sondern auch neue virtuelle Analysemethoden für die Herstellung sowie Monitoring Systeme für Herstellung und Betrieb.

Kohlenstofffaserverstärkte Cyanatester-Verbundwerkstoffe sind wegen ihrer hohen Festigkeit, Steifigkeit, hohen thermischen Beständigkeit und geringen Feuchtigkeitsaufnahme für strukturelle Luft- und Raumfahrtanwendungen in diesem Zusammenhang von hohem Interesse. Die herausragenden thermischen Eigenschaften dieser Materialien werden jedoch nur erreicht, wenn sie bei hohen Temperaturen von bis zu 260°C ausgehärtet werden. Dies bringt die zwei Schwierigkeiten mit sich, dass das Material durch die erreichte hohe Glasübergangstemperatur spröder wird und andererseits das Bauteil schon durch den Produktionsprozess hohe Temperaturdifferenzen erfährt.

Um das erste Problem anzugehen wurde deshalb ein Matrixsystem modifiziert, das durch Zugabe von Additiven einen optimierten Kompromiss zwischen Bruchzähigkeit und hoher Glasübergangstemperatur aufweist.

Ergebnisse

In Zusammenarbeit mit der Firma NTPT wurde dieses modifizierte System zu einem Dünnschicht-Prepreg (87gsm) verarbeitet welches mit automatisierter Faserpositionierung (AFP) abgelegt werden kann. Die Vorteile von diesen sogenannten Thin Ply Prepregs liegen in einer verbesserten Schädigungstoleranz. Das ThinPly Prepreg wurde verwendet, um einen Demonstrator herzustellen, nämlich ein gekrümmtes Panel, mit Verwendung von AFP und integrierten Sensorsystemen.

Ausserdem führen die in der Herstellung von Bauteilen aus diesem Material erforderlichen hohen Aushärtungsbedingungen von bis zu 260°C zu prozessbedingten Verformungen und Eigenspannungen, die sich in einer reduzierten Bauteilleistung bemerkbar machen können. Zur Analyse der Eigenspannungen und prozessbedingten Verformungen wurde in dieser Studie eine ganzheitliche thermomechanisch gekoppelte Materialbeschreibung in eine transiente Simulation implementiert. Dafür wurde ein Materialmodell verwendet, welches die Materialeigenschaften während des Aushärtungsprozesses von Kohlenstofffaser/Cyanatester-Verbundteilen erfasst und das aushärtegradabhängige Verhalten mit einem viskoelastischen Ansatz abbildet.

Das entwickelte Modell wurde an einem Anwendungsfall für die Luft- und Raumfahrt durch ein repräsentatives gekrümmtes und versteiftes Panel demonstriert.