Analyse und Optimierung des Korrosions- und Alterungsverhaltens von hybriden Strukturen aus Metallen und CFK
Verfasser:
M. Sc. Jan Striewe, Prof. Dr. Thomas Tröster, Lehrstuhl für Leichtbau im Automobil, Universität Paderborn - M. Sc. Jannik Kowatz, Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn – M. Sc. Richard Grothe, Prof. Dr. Guido Grundmeier, Technische und Makromolekulare Chemie, Universität Paderborn
110 Seiten - 77,00 EUR (sw, 46 teils farbige Abb., 26 Tab.)
ISBN 978-3-86776-570-1
Zusammenfassung
Gewichtseinsparungen durch Leichtbauweisen sind in der Automobilindustrie ein bedeutsamer Ansatz zur Ressourcenschonung und Verbesserung der Fahrzeugdynamik. Belastungsgerecht ausgelegte Hybridstrukturen aus Metall und faserverstärktem Kunststoff bieten in diesem Zusammenhang ein hohes Potenzial für werkstofflichen Leichtbau. Dabei stellt eine hinreichend feste und alterungsbeständige Verbindung zwischen den artverschiedenen Werkstoffen eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendung dieser Systeme dar.
Aus diesem Grund befasst sich das Forschungsprojekt „Grenzschichten" mit der Analyse und Optimierung des Korrosions- und Alterungsverhaltens von Hybridsystemen aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Entwickelt wird ein nasschemisches Verfahren zur Abscheidung von Zinkoxid-Nanostäbchen auf verzinktem Stahlsubstrat. Der Beschichtungsprozess wird systematisch hinsichtlich der sich einstellenden Oberflächeneigenschaften angepasst. Einen zusätzlichen Aspekt stellt der Einsatz ausgewählter Haftvermittlersysteme auf Silan- und Phosphonsäurebasis dar.
Zur Hybridisierung der oberflächenbehandelten Stahlsubstrate werden vorimprägnierte Faserhalbzeuge und das Pressverfahren eingesetzt. Hergestellte Versuchskörper und realbauteilähnliche Strukturen werden umfangreichen experimentellen Untersuchungen unterzogen. Hierzu zählen neben Alterungsprüfungen quasistatische, zyklische und schlagartige mechanische Prüfungen. Die detaillierte Analyse auftretender Korrosions- und Alterungsmechanismen erfolgt mittels oberflächenanalytischer Verfahren.
Insgesamt wird durch die entwickelte Oberflächenvorbehandlung des Stahlsubstrats im Vergleich zum alkalisch gereinigten Substrat eine deutliche Steigerung der Haftung und Alterungsbeständigkeit des Hybridverbundes erzielt.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Analyse und Optimierung des Korrosions- und Alterungsverhaltens von hybriden Strukturen aus Metallen und CFK" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19246N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 516 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In the automotive industry, weight savings through lightweight design are a significant approach to resource conservation and improvement of vehicle dynamics. In this context, hybrid structures of metal and fibre-reinforced plastic offer great potential.
An essential prerequisite for the application of these systems is a sufficiently strong and age-resistant bond between these different materials.
For this reason, the research project "Grenzschichten" (engl. "interfaces") deals with the analysis and optimisation of the corrosion and ageing behaviour of hybrid systems made of steel and carbon fibre reinforced plastic. A wet-chemical process is developed for the deposition of zinc oxide nanorods on a galvanized steel substrate. The coating process is systematically adapted with regard to the surface properties.
An additional aspect is the use of selected adhesion promoter systems based on silane and phosphonic acid. For the manufacturing of hybrids, pre-impregnated fibre materials are used. Hybrid specimens and structures are subjected to ageing tests and mechanical tests (quasi static, cyclic, dynamic). A detailed analysis of corrosion and ageing mechanisms is carried out by means of surface analytical methods.
Overall, the developed surface pre-treatment of the steel substrate achieves a significant increase in the adhesion and ageing resistance of the adhesion in the hybrid interface compared to the alkaline cleaned substrate.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Motivation und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde
2.1.1 Verstärkungsfasern und Halbzeuge
2.1.2 Matrixsysteme
2.2 Grundlagen der Metallbeschichtungen
2.3 Oberflächenmodifikation von Substratoberflächen
2.4 Hybridsysteme aus Metall und Faser-Kunststoff-Verbund
2.4.1 Hybridherstellung im Pressverfahren
2.4.2 Alterung
3 Versuchswerkstoffe und Verfahren
3.1 Materialien, Kleb- und Hilfsstoffe
3.1.1 Vorimprägniertes Kohlenstofffasergelege
3.1.2 Dualphasenstahl HCT780XD + Z100 (DP800)
3.1.3 Klebstoff SikaPower® -533 MBX
3.2 Nasschemische Tauchbeschichtung von Metallsubstraten
4 Methodische Bauteilauslegung in Hybridbauweise
4.1 Bauteilsichtung und Auslegung
4.2 Ableitung eines generischen Versuchskörpers
5 Versuchseinrichtungen und Prüfverfahren
5.1 Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM)
5.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
5.3 Ramanspektroskopie
5.4 Raster Kelvin Sonde (SKP)
5.5 Korrosionsprüfungen
5.5.1 Elektrochemische Oberflächenanalytik
5.5.2 Klimakammerwechseltest
5.6 90°-Schältests
5.7 Kurzbalkenbiegeversuche zur Bestimmung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit
5.8 Bruchmechanische Prüfungen zur Bestimmung der Energiefreisetzungsrate unter Mode I und Mode II Belastung
5.9 Einfach überlappte Scherzugprüfungen unter quasistatischer Belastung
5.10 Einfach überlappte Scherzugprüfungen unter zyklischer Belastung
5.11 Fallmassenprüfungen
6 Versuchsergebnisse
6.1 Entwicklung des Beschichtungsverfahrens
6.1.1 Oberflächenmorphologie
6.1.2 Bewertung der Haftung
6.1.3 Elektrochemisches Verhalten
6.1.4 Zusammensetzung der Substratoberflächen
6.2 Prüfkörperherstellung im Pressverfahren
6.3 Quasistatische Prüfungen der Grenzschicht
6.3.1 Kurzbalkenbiegeversuche zur Bestimmung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit
6.3.2 Bestimmung der interlaminaren Bruchzähigkeit
6.3.3 Quasistatische Haftungsprüfungen
6.4 Zyklische Haftungsprüfungen
6.5 Schlagartige Bauteilprüfungen
6.6 Analyse des Versagensverhaltens (Korrosions- und Alterungsmechanismen)
6.6.1 Analyse der Bruchmechanik mittels der Kombination aus FIB und REM anhand von Querschliffproben
6.6.2 Untersuchung der Delaminationskinetik mittels Rasterkelvinsonde (SKP)
7 Ergebnisse und Ausblick
7.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für KMU sowie der innovative Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
8 Literaturverzeichnis
9 Anhang
9.1 Anhang A: Methodischen Bauteilauslegung
9.1.1 Anhang A.1: Teilergebnisse der Sensitivitätsanalyse
9.2 Anhang A.2: Gegenüberstellung der Struktursimulationen
9.3 Anhang B: Bruchbilder der zyklischen Versuche
9.3.1 Anhang B.1: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe ZnO_Referenz
9.3.2 Anhang B.2: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe ZnO_In Situ
9.3.3 Anhang B.3: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe ZnO_Gealtert
9.3.4 Anhang B.4: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe Sika_Referenz
9.3.5 Anhang B.5: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe Sika_In Situ
9.3.6 Anhang B.6: Bruchbilder der zyklischen Versuchsreihe Sika_Gealtert
9.4 Anhang C: Bruchbilder der Kurzbalkenbiegeversuche nach Alterung
