Adhäsion zwischen epoxidharzbasiertem CFK und oberflächenmodifiziertem Stahl: Grenzschichtversagen von Hybridlaminaten unter Mode I, Mode II und Mixed-Mode Belastung

Das günstige Eigenschaftsprofil von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) lässt sich besonders gut in Bereichen ausnutzen, in denen den Fasern durch eine beanspruchungsgerechte Ausrichtung eine eindeutige Tragfunktion zugeordnet werden kann. Die richtungsabhängigen (anisotropen) Eigenschaften von unidirektional (UD) verstärkten CFK-Einzelschichten bergen jedoch auch Herausforderungen, welche eine direkte Substitution der klassischen, metallischen Konstruktionsmaterialien durch CFK in vielen Bereichen stark einschränken. Schwierigkeiten der strukturmechanischen Auslegung können oftmals nur durch eine Misch- bzw. Hybridbauweise, also durch Kombination mit metallischen Konstruktionsmaterialien, gelöst werden. Die Anbindung von CFK-Bauteilen an andere Komponenten gestaltet sich jedoch oftmals problematisch, da durch konventionelle formschlüssige Verbindungskonzepte wie Schraub-, Bolzen- und Nietverbindungen die lasttragenden Fasern unterbrochen werden. Einen faserverbundgerechten Ansatz zur Werkstoffhybridisierung stellt eine sogenannte intrinsische Hybridbauweise dar, bei denen die Verbindung von CFK und Metall bereits während des Ablegeprozesses bzw. der anschließenden gemeinsamen Aushärtung (Co-Curing) des CFK erfolgt. Die Matrix (hier: Epoxidharz) fungiert dabei zugleich als Adhäsiv. Ein erfolgversprechender Einsatz einer intrinsischen Hybridisierung bedingt die Entwicklung von Verfahren zur Oberflächenbehandlung des metallischen Verbundpartners, welche eine mechanisch und chemisch stabile Grenzfläche bzw. Grenzschicht gewährleisten. Wird eine Grenzfläche mechanisch belastet, so kommt es bei Überschreiten einer kritischen Last zu Delaminationen, also einer Trennung der angrenzenden Schichten. Zum gegebenen Zeitpunkt existieren für werkstoffhybride Laminataufbauten keine standardisierten Prüfverfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Energiefreisetzungsraten (Bruchzähigkeit) unter rissöffnender Belastung (Mode I), Schubbelastung (Mode II) oder gemischten (Mixed-Mode) Belastungszuständen sowie allgemeiner zur Charakterisierung deren adhäsiver Eigenschaften und dem daraus resultierenden Versagensverhalten. Ziel dieser Arbeit war somit die Konzeption und Validierung diesbezüglich geeigneter mechanischer Prüfverfahren, um damit unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Verbindungsgüte CFK/Metall zu evaluieren und schließlich gangbare Methoden zu identifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein Screening unterschiedlicher Verfahren zur Oberflächenbehandlung bzw. –modifikation durch Ermittlung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit (ILSS-Kennwert) mittels eines Kurzbalkenbiegeversuchs durchgeführt. Dieses bei monolithischen Faserverbundmaterialien etablierte Prüfverfahren wurde hier auf symmetrisch aufgebaute Hybridlaminate angewendet, welche eine 0,1 mm dünne, mit den entsprechenden Oberflächenmodifikationen versehene Stahllage (X5CrNi18-10) zwischen unidirektionalen CFK-Deckschichten aufweisen. Innerhalb des Screenings wurden sowohl gängige Oberflächenbehandlungen wie Strahlverfahren, Verklebungen und Haftvermittler (Silane) sowie darauf basierende Kombinationen, aber auch innovative Ansätze wie DLC (Diamond-Like Carbon)-Beschichtungen und durch reaktives RF-Sputtern applizierte TiO2-Schichten evaluiert. Eine Auswahl von Oberflächenmodifikationen wurde mittels bruchmechanischer Prüfverfahren eingehender untersucht. Hierfür wurden die bei monolithischen Faserverbundmaterialien etablierten Prüfverfahren DCB (Double Cantilever Beam)-, ENF (End-Notched Flexure)- und MMB (Mixed-Mode Beam)-Test zur Prüfung von Hybridlaminaten adaptiert. Analog zu den ILSS-Tests wurden zu diesem Zweck symmetrisch aufgebaute Hybridlaminate gefertigt, welche eine dünne, oberflächenbehandelte Stahlfolie zwischen CFK-Deckschichten aufweisen. Bei diesen bruchmechanischen Prüfverfahren waren analytische Korrekturen nötig, um sowohl das durch den spezifischen Laminataufbau bedingte asymmetrische Versagen, als auch die durch den Fertigungsprozess eingebrachten, thermisch induzierten Eigenspannungen zu berücksichtigen. Diese Korrekturen wurden auf die direkt aus der Prüfung gewonnenen Kennwerte ("scheinbare" Energiefreisetzungsraten) angewendet und resultierten in Änderungen dieser Werte und des jeweils angestrebten Belastungszustandes (Mode Mixity). Die hier vorgestellte Methodik gewährleistet somit eine konsistente quantitative Bewertung der Bruchzähigkeit von hybriden Materialverbunden und ermöglicht schließlich auch einen direkten Vergleich zu den entsprechenden Werten monolithischer Faserverbundmaterialien. Durch die hier am CFK/Stahl-Verbund als Übergangsschicht angewandten DLC-Beschichtungen sowie TiO2-Beschichtungen (letztere in Kombination mit einer nachfolgenden Silanisierung) konnte eine signifikante Steigerung der Bruchzähigkeit und somit der Verbindungsfestigkeit erzielt werden. Die Medienbeständigkeit der Verbindung wurde ebenfalls maßgeblich erhöht. Gleichzeitig gewährleisten diese beiden Beschichtungsvarianten einen äußerst wirkungsvollen Schutz vor galvanischer Korrosion