Was ist Delamination? Lagentrennung in Verbundwerkstoffen

Warum Delamination entsteht

Ein Laminat entsteht, indem faserverstärkte Lagen übereinandergelegt und mit Harz verbunden werden. Die Fasern liegen nur in der Ebene der jeweiligen Lage; Zugspannungen in Dickenrichtung und interlaminare Schubspannungen werden allein vom Harz getragen. Da Harz eine wesentlich geringere Festigkeit und Bruchzähigkeit als die Faser besitzt, wird der dünne Harzbereich zwischen zwei Lagen zum schwächsten Glied der Struktur.

Interlaminare Spannungen können selbst in einem Laminat entstehen, das nur Lasten in der Ebene trägt. Pipes und Pagano (1970) zeigten, dass an den freien Kanten von Laminaten aus unterschiedlich orientierten Lagen der elastische Unterschied zwischen den Lagen lokale interlaminare Spannungen erzeugt. Aus demselben Grund sind Bohrungsränder, Lagenabstufungen, gekrümmte Bereiche und Fügestellen häufige Ausgangspunkte einer Delamination.

Hauptursachen

• Schlag mit geringer Geschwindigkeit: ein heruntergefallenes Werkzeug, ein Stoß, ein Steinschlag oder ein Drohnenabsturz. Ein Schlag kann auf der Vorderseite nur eine kleine Markierung hinterlassen und dabei zwischen den Lagen und auf der Rückseite einen großen Schadensbereich erzeugen (Abrate, 1998).
• Bearbeitung: Beim Bohren hebt der Bohrer auf der Eintrittsseite die oberen Lagen ab und drückt auf der Austrittsseite die unteren Lagen heraus; dies verursacht Delamination. Vorkehrungen beim Schneiden und Bohren beschreibt der Leitfaden zum CNC-Zuschnitt von Karbonplatten.
• Fertigungsfehler: Poren (Porosität), trockene Stellen ohne Harz, zwischen den Lagen eingeschlossene Fremdkörper oder unvollständige Aushärtung.
• Ermüdung: Unter wiederholter Belastung können kleine Fehlstellen zu Delaminationen anwachsen.
• Feuchte und Temperatur: Feuchteaufnahme des Harzes und Einsatztemperaturen nahe der Glasübergangstemperatur (Tg) verringern die interlaminare Festigkeit.

Bruchmodi

Die Bruchmechanik beschreibt das Wachstum eines interlaminaren Risses anhand von drei Grundmodi:

• Modus I (Öffnung): Die Rissflanken bewegen sich senkrecht zur Rissebene auseinander.
• Modus II (Gleitscherung): Die Rissflanken gleiten in Richtung des Risswachstums gegeneinander.
• Modus III (Reißen): Die Rissflanken gleiten parallel zur Rissfront in entgegengesetzte Richtungen.

In realen Strukturen wächst eine Delamination meist unter einer Kombination dieser Modi, also im gemischten Modus. Die Delaminationsbeständigkeit eines Werkstoffs wird durch die für jeden Modus gemessene kritische Energiefreisetzungsrate ausgedrückt (G_Ic, G_IIc). Je höher der Wert, desto mehr Energie ist nötig, um den Riss um eine Flächeneinheit zu verlängern. In Laminaten ist die Zähigkeit in Modus I meist am geringsten; deshalb sind Öffnungslasten und Zug in Dickenrichtung besonders kritisch.

Schlagschäden und Druckfestigkeit nach Schlag

Die häufigste Ursache von Delamination in Verbundstrukturen ist ein Schlag mit geringer Geschwindigkeit. Selbst wenn die Schlagenergie zu gering ist, um Fasern zu brechen, kann sie sich überlappende Delaminationen zwischen den Lagen und Matrixrisse erzeugen. In der Luftfahrt wird ein Schaden, der an der Oberfläche kaum Spuren hinterlässt, als kaum sichtbarer Schlagschaden (Barely Visible Impact Damage, BVID) bezeichnet.

Unter Druck ist Delamination besonders gefährlich. Die getrennten Lagen verhalten sich wie unabhängige dünne Platten, beulen lokal aus, und der Schaden wächst. Die Wirkung eines Schlagschadens wird daher als Druckfestigkeit nach Schlag (Compression After Impact, CAI) gemessen: Eine Platte wird zunächst einem kontrollierten Schlag ausgesetzt (ASTM D7136), anschließend wird die geschädigte Platte bis zum Versagen auf Druck belastet (ASTM D7137). Bei Luftfahrtstrukturen werden Auslegungswerte in der Regel unter der Annahme festgelegt, dass eine Struktur mit kaum sichtbarem Schlagschaden die Auslegungslasten weiterhin tragen muss.

Wie Delamination gemessen wird

Delaminationsbeständigkeit und Schadenstoleranz gegenüber Schlag werden mit genormten Prüfverfahren gemessen. Die wichtigsten sind:

Bei Bruchzähigkeitsprüfungen wird in der Mittelebene der Probe ein Startriss erzeugt, meist indem beim Lagenaufbau eine dünne Trennfolie eingelegt wird. In 3D-gewebten Verbundwerkstoffen verhindern die Bindefäden, dass der Riss in einer ebenen Fläche wächst; die Ergebnisse dieser Prüfungen sind daher beim direkten Vergleich mit Laminaten sorgfältig zu interpretieren.

Erkennungsverfahren

Da Delamination von der Oberfläche aus oft nicht sichtbar ist, erfordern Verbundstrukturen eine zerstörungsfreie Prüfung. Gängige Verfahren:

• Sichtprüfung und Klopftest: schnell und ohne Spezialausrüstung, zeigen aber nur große, oberflächennahe Trennungen.
• Ultraschallprüfung: Schallwellen werden an den getrennten Flächen reflektiert; Lage und Fläche der Delamination werden kartiert (C-Scan). Dies ist das am weitesten verbreitete Verfahren für Verbundwerkstoffe.
• Thermografie: Unterschiede in der Ausbreitung von auf die Oberfläche aufgebrachter Wärme machen darunterliegende Trennungen sichtbar; große Flächen werden schnell erfasst.
• Computertomografie: liefert ein dreidimensionales Bild des Schadens; wird meist für Proben im Labormaßstab eingesetzt.

Wie sich Delamination vermeiden lässt

Es gibt zwei grundlegende Wege, Delamination zu verringern: das Harz zwischen den Lagen zäher machen oder die Lagen in Dickenrichtung mit Fasern verbinden.

Zähmodifizierte Harze (mit Thermoplasten oder Kautschuk modifizierte Epoxide) und zähe Zwischenlagen zwischen den Lagen verlangsamen den Riss, indem sie an der Rissspitze mehr Energie dissipieren. Der Riss wächst jedoch weiterhin durch Harz; der Gewinn ist daher durch die Zähigkeit des Harzes selbst begrenzt.

Die Verstärkung in Dickenrichtung wirkt anders. Beim Vernähen (Stitching), Z-Pinning, Tufting und 3D-Weben verbinden Fäden oder Stifte, die zwischen den Lagen hindurchgehen, die Rissflanken miteinander. Damit sich der Riss öffnen kann, müssen diese Elemente herausgezogen werden oder brechen; hinter der Rissspitze entsteht so eine Brückenzone, die zusätzliche Energie aufnimmt. Laut Literatur erhöht die Verstärkung in Dickenrichtung die Delaminationszähigkeit in Modus I deutlich, verkleinert die Schlagschadensfläche und steigert die Druckfestigkeit nach Schlag (Mouritz, 2007; Tong et al., 2002). Der Preis dafür ist bei manchen Verfahren eine Minderung der Eigenschaften in der Ebene.

Konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen

Das Delaminationsrisiko lässt sich auch ohne Werkstoffwechsel verringern:

• Lagenaufbau: Große Winkelunterschiede zwischen benachbarten Lagen erhöhen die interlaminaren Spannungen an freien Kanten. Der Lagenaufbau wird mit Blick auf die Kantenspannungen gewählt.
• Lagenabstufungen: Bei Dickenänderungen enden die Lagen gestaffelt und nicht entlang einer einzigen Linie.
• Bohrungs- und Randabstand: Bohrungen werden mit ausreichendem Abstand zu freien Kanten und zueinander angeordnet; an Fügestellen verteilen Unterlegscheiben die Last.
• Lasten in Dickenrichtung: Details, die das Bauteil senkrecht zu seiner Oberfläche beanspruchen, etwa senkrecht zur Fläche belastete Verbindungselemente und enge Radien, werden vermieden.
• Fertigungsqualität: Beim Lagenaufbau werden Fremdkörper zwischen den Lagen vermieden, der Härtezyklus folgt der Empfehlung des Harzherstellers, und kritische Bauteile werden per Ultraschall geprüft.

Delamination beim 3D-Weben

Beim 3D-Weben werden die Lagen während des Webens durch Bindefäden, die durch die Dicke verlaufen, miteinander verriegelt. Da es keine durchgehende Grenzfläche gibt, an der nur Harz die Lagen zusammenhält, entsteht keine Trennung, die wie beim Laminat mit geringer Energie entlang der Lagen läuft. Selbst wenn ein Riss entsteht, wird er überbrückt, sobald er den ersten Bindefaden erreicht, und kann nur weiterwachsen, wenn dieser Faden herausgezogen wird oder bricht.

Das bedeutet nicht, dass ein 3D-gewebtes Bauteil nicht beschädigt werden kann. Bei Überlast treten weiterhin Matrixrisse, Faser-Matrix-Ablösungen und Faserbrüche auf. Der Unterschied liegt in der Schadensausbreitung: Im Laminat kann sich der Schaden großflächig zwischen den Lagen ausbreiten, im 3D-Gewebe bleibt er auf einen kleineren Bereich begrenzt, und die Struktur verliert ihre Tragfähigkeit allmählicher.

In der Praxis

Die OWC-Karbonplatte wird aus einer 3D-gewebten Preform hergestellt; Fäden in Dickenrichtung verbinden ihre Lagen. Um das Bohr-, Schneid- und Befestigungsverhalten des Werkstoffs in Ihrer eigenen Anwendung zu erproben, können Sie das Musterset nutzen: Es enthält kleine rechteckige Stücke, die aus einer ganzen Platte geschnitten sind.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

• ASTM D5528/D5528M. Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
• ASTM D7905/D7905M. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
• ASTM D6671/D6671M. Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
• ASTM D2344/D2344M. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. ASTM International.
• ASTM D7136/D7136M. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. ASTM International.
• ASTM D7137/D7137M. Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. ASTM International.
• Pipes, R. B., Pagano, N. J. (1970). Interlaminar stresses in composite laminates under uniform axial extension. Journal of Composite Materials, 4(4), 538–548.
• Abrate, S. (1998). Impact on Composite Structures. Cambridge University Press.
• Mouritz, A. P. (2007). Review of z-pinned composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38(12), 2383–2397.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.