Einfluss von Materialschäden auf Merkmalscharakteristika von zerstörungsfreien Prüfverfahren an dynamisch belastetem CFK

Abstract

Faserverstärkte Kunststoffe (CFK) ermöglichen aufgrund ihrer hohen dichtespezifischen Festigkeit und Steifigkeit eine effiziente Leichtbauweise. Gepaart mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit, bietet der Einsatz von CKF-Strukturen in der kommerziellen Luftfahrt ein erhebliches Einsparungspotential der Betriebskosten. Die Detektierbarkeit schlaginduzierter Materialschädigungen stellt sich jedoch als äußerst aufwendig heraus. Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes zur Ermittlung und Erweiterung der Leistungsgrenzen moderner, zerstörungsfreier Prüfverfahren für Verbundwerkstoffe werden in dieser Arbeit die Einflüsse solcher Materialschäden auf zerstörungsfreie Prüfverfahren an dynamisch belastetem CFK untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Charakterisierung der Ergebnisse aktiver Thermographieprüfungen auf Basis des Puls-Phasen-Prinzips. Anhand einer spektralen Analyse der Infrarotabstrahlung thermisch angeregter CFKProben konnten Schlagschäden im Werkstoff identifiziert und qualitativ charakterisiert werden. Es wurde festgestellt, dass unter zyklischer Belastung der Prüfkörper ein Wachstum einer oberflächennahen Delamination initiiert wird. Eine Auswertung des Phasenspektrums für eine definierte Frequenz zeigt, dass dieses Wachstum mit einer zunehmenden Differenz zwischen den gemittelten Phasenwerten im Bereich der Delamination und einem Bereich ohne Vorschädigung einhergeht. Der Einsatz weiterer zerstörungsfreier Prüfmethoden, wie Röntgen- und Ultraschalluntersuchungen, sowie die Untersuchung ausgewählter Proben im Lichtmikroskop, ließen außerdem eine Zunahme der Rissdichte erkennen, was jedoch mit der verwendeten Infrarotkamera nicht ausreichend detektiert werden konnte. Die Ergebnisse wurden über die Charakterisierung des Einsatzpotentials zerstörungsfreier Prüfmethoden hinaus für eine Beurteilung des Ermüdungsprozesses unter zyklischer Belastung im Zug-Druck-Bereich ausgewertet. Daraus ließen sich Maßnahmen ableiten, um den Versuchsprozess im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes zu optimieren.

Due to its high specific strength and stiffness carbon fibre reinforced plastics (CFRP) allow efficient lightweight constructions. In combination with high fatigue resistance the use of CFRP-structures in commercial aviation may lead to a significant reduction of operating expenses. The detectability of impact induced material defects, however, turns out to be quite difficult. This thesis is based on a research and development project for the identification and extension of performance limitations of modern non-destructive testing (NDT) methods for composite materials. It investigates the influence of material defects on such NDT methods, in particular on cyclic loaded CFK. The main focus lies on the characterization of the active thermography results based on the pulse-phase-evaluation. By transforming the time dependent infrared measurements into the frequency domain it became possible to identify and characterise defects in the tested material. Under cyclic loading a growth of near-surface delaminations could be observed. Evaluating the phase spectrum for a given frequency lead to the result that the increasing delamination size goes along with an increasing difference between the phase magnitude measured at the impact damage and the one measured in areas without a preliminary damage. By the use of additional NDT methods such as X-ray or ultrasonic testing as well as an analysis of specific specimens in a light microscope an increasing density of inter fibre cracks was observed. This, however, could not be verified with the infrared camera system available. Furthermore the gained results were analyzed in terms of characterising the fatigue process under a cyclic tension-pressure loading. Hence, improvement measures for the experimental process have been developed to optimize this research project for the future.