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Mechanische Charakterisierung von Monofilamenten

Für die optimale Verstärkung eines Verbundkörpers spielen die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffaser eine entscheidende Rolle. Durch Monofilamentzugversuche wurden die Zugfestigkeit, der Zugmodul und die Zerreißdehnung eines Monofilamentes mit dem Meßquerschnitt A0 und der Meßlänge l0 bei einachsiger, kontinuierlicher und momentfreier Zugbeanspruchung bestimmt. Die Messungen wurden nach der ASTM-Norm D3375-79 [65] durchgeführt. Zur Messung wurden jeweils mindestens 40 Proben nacheinander in eine Universalzugprüfmaschine vom Typ 1114 der Firma Instron, Darmstadt, eingespannt und mit konstanter Traversengeschwindigkeit verformt. Die sich einstellende Zugkraft F wird in Abhängigkeit von der in Belastungsrichtung auftretenden totalen Probenverlängerung Dl = l - l0 bis zum Probenbruch mit einem Schreiber registriert [1, 10].

Aus dem erhaltenen Kraft-Weg-Diagramm wurde unter Berücksichtigung des mittleren Faserquerschnitts, der Einspannlänge, der Traversengeschwindigkeit und der Schreibergeschwindigkeit das Nennspannungs-Totaldehnungs-Diagramm erhalten, aus dem man die Zugfestigkeit, die elastische Dehnung und den Elastizitätsmodul nach Gleichung (6) berechnen kann. Gleichung (6) setzt die Gültigkeit des Hook'sche Gesetzes voraus, was bei der untersuchten Faser gegeben ist.

s = E e (6)

In Gleichung 6 bedeuten s die Spannung, bei der der Bruch auftritt, e ist die totale Dehnung und E der Elastizitätsmodul; er stellt die Steigung im Nennspannungs-Totaldehnungs-Diagramm dar. Die zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften verwendeten Parameter sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Der Faserquerschnitt A0 wurde aus dem Metergewicht der Faserstränge aus 2000 Monofilamenten und der mittleren Faserdichte berechnet.

Tabelle 3: Parameter zur Berechnung der Nennspannungs-Totaldehnungs-Diagramme.
Traversengeschwindigkeit, mm/min
1
Schreibergeschwindigkeit, cm/min
30
Mittlerer Faserausgangsquerschnitt A0
7,405*10-11
Mittlerer Faserdurchmesser d, mm
9,71
Einspannlänge l0
30

Sprödbrechende Fasern weisen ein statistisches Versagensverhalten auf, was zu großen Schwankungen der erhaltenen Meßwerte führt. Zur Ermittlung der Ergebnisse aus den einzelnen Meßwerten wurde deshalb eine statistische Auswertung nach Weibull [66, 67], welche im Anhang A.2 beschrieben ist, durchgeführt. Der so erhaltene Weibullparameter s0 ist ein Maß für eine 63,2%-ige Versagenswahrscheinlichkeit Pf der Faserprobe bei einer bestimmten Zugfestigkeit s. Der Weibullparameter m gibt die Streuung der Meßwerte um s0 an (Gleichung (7)):

  Gleichung 7 (7)

Zur Auswertung wurden die Werte für die Zugfestigkeit s aufsteigend sortiert, die einzelnen Punkte nach Gleichung (7) berechnet und in ein Diagramm eingezeichnet. Der Weibullparameter m entspricht der Steigung der Ausgleichsgeraden, der Normierungsfaktor s0 dem Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden mit der y-Achse (s = s0).

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