Strain-Rate Dependence of Mode II Delamination Initiation in a Polyester-Fiberglass Composite Using Dynamic ENF Testing

Wenn Ingenieure Strukturen entwerfen, die plötzlichen Einschlägen standhalten müssen – wie etwa der Rumpf eines Flugzeugs oder der Rumpf eines Schiffes – verlassen sie sich stark auf Verbundwerkstoffe. Dies sind keine massiven Blöcke aus Metall oder Kunststoff, sondern vielmehr Schichten aus Gewebe, wie zum Beispiel Glasfaser, die durch ein klebriges Harz zusammengehalten werden. Die Festigkeit dieser Materialien hängt oft weniger von den einzelnen Schichten ab als vielmehr davon, wie gut diese Schichten aneinander haften. Wenn sich die Schichten trennen, ein Prozess, der als Delamination bekannt ist, kann die gesamte Struktur katastrophal versagen. Diese Trennung kann auf verschiedene Arten geschehen: Die Schichten könnten auseinandergezogen werden wie die Seiten eines Buches, oder sie könnten gezwungen werden, aneinander vorbeizugleiten, wie zwei Karten, die in entgegengesetzte Richtungen geschoben werden. Letzteres wird als Scherung bezeichnet, und das Verständnis darüber, wie viel Energie benötigt wird, um dieses Gleit-Trennen zu initiieren, ist entscheidend für die Sicherheit. Während Wissenschaftler lange Zeit untersucht haben, wie sich diese Materialien unter langsamem, stetigem Druck verhalten, liefert die reale Welt oft plötzliche, heftige Erschütterungen. Es bleibt die Frage: Ändert die Geschwindigkeit, mit der eine Kraft ausgeübt wird, die Leichtigkeit, mit der diese Schichten auseinandergleiten?

Ein Team von Forschern am Institute of Space Technology in Islamabad setzte sich zum Ziel, diese Frage für einen spezifischen Werkstofftyp zu beantworten: Glasfaser, verstärkt mit Polyesterharz. Sie konzentrierten sich auf die Gleit-Trennung, also die Scherung, da dies ein häufiger Versagensmodus in vielen strukturellen Anwendungen ist. Um dies zu erreichen, mussten sie das Material nicht nur langsam, sondern mit hohen Geschwindigkeiten testen, die realen Einschlägen nachempfunden sind. Sie verwendeten eine spezialisierte Maschine namens Split-Hopkinson-Druckstab, die wie ein Hochgeschwindigkeitshammer wirkt. In diesem Aufbau wird ein Metallschlägel durch komprimiertes Gas dazu gebracht, einen langen Metallstab zu treffen. Dieser Aufprall sendet eine kraftvolle Druckwelle durch den Stab und in eine kleine Probe des Glasfasermaterials, die sich in der Mitte befindet. Durch die Anpassung des Gasdrucks konnten die Forscher genau steuern, wie schnell das Material deformiert wurde, wobei sie es bei Raten von 70 bis 150 Mal pro Sekunde testeten. Sie bereiteten ihre Proben als kleine, quadratische Blöcke mit einem winzigen, vorgefertigten Riss in der Mitte vor, der darauf ausgelegt war, die Schichten beim Biegen auseinandergleiten zu lassen.

Die Forscher platzierten diese Proben in einer Drei-Punkt-Biegevorrichtung, die sie im Wesentlichen wie eine Brücke aufsetzten, die an beiden Enden gestützt und in der Mitte belastet wird. Als die Druckwelle die Probe traf, bog sie das Material, wodurch der bereits bestehende Riss aufging und die Schichten auseinanderglitten. Um zu erfassen, was in dem Bruchteil einer Sekunde des Aufpralls geschah, verwendeten sie eine Hochgeschwindigkeitskamera, die in der Lage war, 100.000 Bilder pro Sekunde aufzunehmen. Dies ermöglichte es ihnen, den Risswachstumsprozess und die Verformung des Materials in Echtzeit zu beobachten. Durch die Messung der ausgeübten Kraft und des Weges, um den das Material sich bog, konnten sie die Energie berechnen, die erforderlich ist, um den Riss in Bewegung zu setzen. Dieser Wert, bekannt als die Energiefreisetzungsrate (Strain Energy Release Rate), sagt Ingenieuren, wie viel Energie das Material absorbieren kann, bevor es zu versagen beginnt.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren und signifikanten Trend: Je schneller das Material belastet wurde, desto mehr Energie war nötig, um den Riss gleiten zu lassen. Unter langsamen, statischen Bedingungen zeigten frühere Tests an ähnlichen Materialien einen Energiebedarf von etwa 1,2 Einheiten. In diesen Hochgeschwindigkeitstests sprang dieser Wert dramatisch an. Die Energie, die benötigt wurde, um den Riss zu initiieren, lag zwischen 0,64 und 7,19 Einheiten, wobei die höheren Werte bei den schnellsten Dehnraten auftraten. Dies deutet darauf sich hin, dass das Material widerstandsfähiger gegen Gleit-Trennung wird, wenn es schnell getroffen wird. Die Daten waren jedoch nicht perfekt glatt. Die Forscher beobachteten, dass die Risse nicht immer in einer geraden, flachen Linie zwischen den Schichten verliefen. Stattdessen zickzackten die Risse manchmal oder verursachten, dass Fasern die Lücke überbrückten, was die Schichten auseinanderzog und den Versagensprozess komplexer machte. Diese Unregelmäßigkeiten führten zu Variationen in den Zahlen, wobei ein Test bei der höchsten Geschwindigkeit einen besonders großen Sprung in der Energieabsorption zeigte.

Trotz der Variabilität ist die Kernbotschaft des Experiments, dass die Geschwindigkeit eine Rolle spielt. Die Studie bestätigt, dass der Widerstand gegen Gleit-Trennung bei Polyester-Glasfaser-Verbundwerkstoffen stark davon abhängt, wie schnell die Kraft ausgeübt wird. Die Forscher merkten an, dass ihre Proben relativ kurz waren, was hohe Scherkräfte erzeugte, die die Ergebnisse beeinflusst haben könnten. Sie schlagen vor, dass zukünftige Tests längere Proben verwenden sollten, um sicherzustellen, dass die Risse gleichmäßiger wachsen und um das reine Gleitverhalten von anderen Effekten zu isolieren. Für den Moment liefert die Arbeit ein wichtiges Puzzleteil für Ingenieure, die Strukturen entwerfen, die dynamischen Einschlägen standhalten müssen, indem sie zeigt, dass Materialien, die unter langsamem Druck zerbrechlich erscheinen mögen, plötzlichen, heftigen Gleitkräften tatsächlich viel besser widerstehen können als bisher angenommen.