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Untersuchung von Grenzschichteigenschaften an Einzelfaser-Modellverbunden

Beschreibung

In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden mehrere mikromechanische Messplätze entwickelt und aufgebaut, um die Grenzflächeneigenschaften zwischen Faser und Matrix in Verbundwerkstoffen zu untersuchen. Zu den mikromechanischen Methoden gehören quasistatische und schlagartige Pull-Out-Tests, Hysterese- und Langzeitbelastungstests sowie hochfrequente dynamische Belastungstests im subkritischen Bereich. In den meisten Fällen werden Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern verwendet, die in polymere oder zementöse Matrices eingebettet sind. Die Probenpräparationseinheit wurde ebenfalls am IPF entwickelt und wird unter Einbettanlage genauer beschrieben. Der prinzipielle Aufbau der Experimente ist in der nebenstehenden Grafik dargestellt. Der Probenträger mit Matrix und eingebetteter Faser ist auf einem Aktuator befestigt, mit dem die Bewegung erzeugt wird. Das Faserende, das aus der Matrix hervorragt, ist an den Fasersteg geklebt, der seinerseits mit dem Kraftaufnehmer verbunden ist. Die Spezifikationen der einzelnen Messplätze ergeben sich aus ihren jeweiligen experimentellen Anforderungen. Die unten dargestellte Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Methoden.

Kontakt
Prof. Dr. E. Mäder (Abteilung Verbundwerkstoffe)
Dr. W. Jenschke (Bereich Forschungstechnik)

  Quasistatischer Pull-Out Test Hysterese- und Langzeitbelastungstests Dynamischer Belastungstest Schlagartiger Pull-Out Test
Ablauf der Messung: Die Faser wird mit konstanter Geschwindigkeit langsam aus der Matrix gezogen. Der Einzelfaser-Modellverbund wird Zug-Druck-Wechsel- oder Schwellbelastungen ausgesetzt. Abhängig vom Frequenzbereich erfolgt die Anregung kraftgeregelt oder weggeregelt. Der Einzelfaser-Modellverbund wird mit sinusförmiger Weganregung Zug-Druck-Wechsel- oder Schwellbelastungen ausgesetzt. Dabei werden Anregungsfrequenz und/oder -amplitude schrittweise von einem Anfangs- zu einem Endwert erhöht. Die Faser wird in einem Sekundenbruchteil schlagartig aus der Matrix gezogen.
Kraftmessung:
  Messbereich:
  Auflösung:
Piezoresistiver Kraftaufnehmer
0 - 2,5 N
75 µN
Piezoresistiver Kraftaufnehmer
0 - 2,5 N
75 µN
Piezoelektrischer Quarz
0 - 50 N
0,1 mN
Piezoelektrischer Quarz
0 - 50 N / 0 - 5 kN
0,1 mN / 2,5 mN
Auslenkung:
  Hub:
  Auflösung:
  Typ. Auslenkung:
  Pull-Out-Geschw.:
  Anregungsfrequ.:
  Amplitude:
Micro-drive
50 mm
2 nm
300 µm
typisch: 10 nm/s
-
-
Piezotranslator
120 µm
4 nm
8 µm
-
0,01 - 0,1 Hz / 5 - 20 Hz
0,5 - 5 µm
Piezotranslator
80 µm
1 nm
-
-
10 - 350 Hz
0,5 - 5 µm
Piezotranslator
180 µm
-
180 µm
max.: 10 000 µm/s
-
-
Ergebnisgrößen: Maximalkraft, E-Modul, Dehnungsarbeit, Scherspannung, Adhäsionsfestigkeit, kritische Energiefreisetzungsrate Hysteresefehler, Scherspannung, Scherdehnung, Speicher- und Verlustarbeit, Phasenverschiebung, Dämpfung, Steifigkeit Kraftamplitude und Phasenverschiebung als Funktion der Anregungsfrequenz und -amplitude (Weganregung) Maximalkraft, E-Modul, Dehnungsarbeit, Scherspannung, Adhäsionsfestigkeit, kritische Energiefreisetzungsrate
Anregungsfunktion:
Kraft-Verschiebungskurve: