Faserbruchgeschehen in kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff

Der Dimensionierung von Bauteilen liegt eine Festigkeitshypothese und – daraus abgeleitet – ein Versagenskriterium zugrunde. Die Festigkeitsvorhersage ist naturgemäß nur so gültig wie das angewandte Versagenskriterium. Bei der Versagensanalyse faserverstärkter Kunststoffe (FVK) müssen getrennte Versagenskriterien für Faserbruch und Zwischenfaserbruch verwendet werden. Während für den Zwischenfaserbruch mittlerweile sehr ausgereifte und experimentell abgesicherte Versagenskriterien existieren, wird der Faserbruch immer noch mit einem sehr einfachen Kriterium vorhergesagt, das keine mögliche schwächende Wirkung kombinierter Spannungszustände einschließt. Die Gültigkeit eines solchen Faserbruch-Kriteriums wurde in jüngerer Zeit in Frage gestellt, wobei insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) eine stark schwächende Wirkung fasersenkrechter Spannungen auf die faserparallele Festigkeit vermutet wurde. Als Grundlage hierfür steht entgegen der verbreiteten Auffassung die Hypothese im Raum, in der einzelnen Kohlenstofffaser trete der Faserbruch nicht als Normalspannungsbruch ein, sondern als schräger Schubspannungsbruch. Sollten diese Überlegungen zutreffen, so könnte die bisher übliche Bauteildimensionierung in vielen Fällen auf der unsicheren Seite liegen. Die Vermutungen konnten bislang jedoch nicht befriedigend durch Versuchsergebnisse bestätigt werden, weil die saubere Realisierung geeigneter experimenteller Bedingungen mit entsprechend aussagekräftigen Resultaten hier außerordentlich anspruchsvoll ist. Da eine Klärung dieser Frage für eine sichere Versagensanalyse von FVK-Bauteilen aber von großer Bedeutung ist, beschreibt diese Arbeit die Konzeption und Durchführung geeigneter Versuche, bei denen erstmals beobachtet werden konnte, ob die befürchtete Festigkeitsreduktion tatsächlich eintritt oder nicht. Außerdem werden mikroskopische Aufnahmen der gebrochenen Fasern herangezogen, um zu klären, ob die Hypothese über den schrägen Schubbruch der Kohlenstofffaser zutrifft.