Verbundwerkstoffe (CFK)

Nicht-metallische Werkstoffe, wie z.B. Faserverbundmaterialien, gewinnen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im automobilen Leichtbau sowie in der alternativen Energieerzeugung zunehmend an Bedeutung. Moderne Flugzeuge, wie der AIRBUS A350XWB, bestehen zu mehr als 50% aus Kohlefaser-Verbundmaterialien (CFK) und die Strukturbauteile von Elektrofahrzeugen, wie z.B. dem BMW i3, sind komplett aus dem innovativen Werkstoff gefertigt.

Die Materialien bestehen auf einer Kunststoffmatrix in die zur Materialverstärkung Carbon- oder Glasfasern eingelegt sind. Bei mechanisch hoch-beanspruchten Komponenten werden vorwiegend Endlosfasern aus Carbon eingesetzt. Als Matrixmaterial findet im überwiegenden Teil der Fälle ein Duroplast auf Epoxidharzbasis Verwendung, der Einsatz von Thermoplasten, wie z.B. PEEK, als Matrix ist aber auch möglich. Neben einem niedrigen Gewicht weisen carbonfaserverstärkte Kunststoffe auch sehr gute mechanische Kennwerte, wie eine hohe Steifigkeit und Festigkeit sowie geringe Materialermüdung, auf. Die zur Belastungssituation im Einsatz optimierte Auslegung sowie die nachfolgende Fertigung der Komponenten müssen jedoch mit einem hohen technischen Anspruch erfolgen, damit im Einsatz keine Ausfälle auftreten. Produktionsbedingte Fehlstellen im Laminat, wie z.B. Delaminationen, Undulationen oder Voids, sind von außen nur schwer zu erkennen und können unter Belastung zu einem spontanen Versagen des Bauteils führen. Aus diesem Grund werden in der Luftfahrt und im Automobilbau umfangreiche Prüfungen an Verbundwerkstoffen gefordert. SGS verfügt am Standort Dortmund über langjährige Expertise in der Freigabeprüfung und Schadensanalytik an CFK-Komponenten.

Beispiel für einen Qualifizierungsverlauf im Automobilbereich:

  • Faserwinkelbestimmung im Laminat über materialografische Schliffe und 3D-Computertomographie
  • Bestimmung der Lagenzahl und Lagendicke über lichtmikroskopische Vermessung am Schliffbild
  • Bewertung eventueller Fehlstellen im Laminat über lichtmikroskopische Charakterisierung am Querschliff
  • Bestimmung des Faser-, Harz- und Porengehaltes über Thermogravimetrie (TGA) z.B. gemäß DIN EN 2564
  • Bestimmung der Glasübergangstemperatur (2 Aufheizphasen) und der Enthalpie der Nachreaktion mittels Differentialthermoanalyse (DSC)
  • Bestimmung der mechanischen Kennwerte (E-Modul, Zugfestigkeit und Dehnung) über Zugversuche nach DIN EN ISO 527

 

Poren in einem CFK-Laminat (Lichtmikroskopie)
Querschliff durch ein CFK-Laminat (Lichtmikroskopie)
Querschliff durch ein CFK-Laminat (Lichtmikroskopie)
Querschliff durch ein CFK-Laminat (Lichtmikroskopie)
CFK-Sandwich mit Al-Waben
Verschiedene CFK-Sandwichbauteile

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