Das thermische Spritzen ist geeignet Kompositschichten herzustellen, deren Einsatzgebiet hauptsächlich im Verschleißschutz liegt. Bisher lag der Schwerpunkt in der Untersuchung partikelverstärkter Schichten. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von C-kurzfaserverstärkten Schichten mit einer Aluminiummatrix. Als Spritzverfahren kamen das DC-Plasmaspritzen und das HF-Plasmaspritzen zur Anwendung. Die Aluminiumpulver und Kohlenstoffkurzfasern werden dafür agglomeriert. Gegenübergestellt wurden für beide Spritzverfahren die Mikrostrukturen der Schichten und das Verschleißverhalten. Die Kompositschichten können im Vergleich mit unverstärktem Aluminium ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten aufweisen. Dies konnte in Gleit- und Schwingverschleißprüfungen nachgewiesen werden. Weiterhin wird auf eine für thermisch gespritzte Schichten charakteristische Fasereinbettung in die metallische Matrix hingewiesen, die zu einem speziellen Schädigungsmechanismus bei den Verschleißtests führt.

Die exzellenten Eigenschaften einer Keramik beziehen sich auf den hohen Schmelzpunkt, die gute Hochtemperaturfestigkeit sowie hohe Elastizitätsmodul- und Härtewerte. Weiterhin zeichnen sich die anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffebesonders durch ihre gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aus.Bedingt durch die erschwerte Versetzungsbewegung weisen keramische Werkstoffeeine höhere Sprödigkeit auf. Metallische Werkstoffedagegen sind in der Regel duktil und zeigen meist ein duktiles Bruchverhalten. Lokale Spannungsspitzen können durch plastische Verformung abgebaut werden.Das Ziel dieser Arbeit ist es, das grundsätzlich unterschiedliche Werkstofferhalten einer Keramik und eines Metalls miteinander zu kombinieren, um die Bruchzähigkeit des Keramik-Metall-Verbundwerkstoffes zu erhöhenDie fein verteilten Metalle sollen die Rissausbreitung behindern. Es können unterschiedliche Mechanismen wirken. Im Vergleich zur unverstärkten Keramik ist eine höhere Bruchenergie aufzubringen, um den Riss voran zu treiben. Die Erhöhung der Bruchenergie spiegelt sich in einer höheren Bruchzähigkeit wieder.Um eine duktile Phase in einer spröden Zirkoniumdioxidmatrix zu erzeugen, werden für die Untersuchungen unterschiedliche Metalle eingebracht. Dadurch soll die Bruchzähigkeit als Schadenstoleranz gegenüber dem Totalversagen erhöht werden. Die resultierenden Eigenschaften der Keramik-Metall-Verbundwerkstoffewerden analysiert und charakterisiert.Die Untersuchungen umfassen das pulvermetallurgische Einbringen von metallischen Pulvern mit verschiedenen Teilchengrößen sowie die chemische Einbringung von Präkursoren, die in nanokristalline Metallpartikel umgewandelt werden. Dabei kommen verschiedene Metalle mit unterschiedlichen Wechselwirkungen und Spannungen durch thermische Fehlpassungen in der Matrix zur Anwendung. Zusätzlich wird die Auswirkung der Variation der Verstärkungsform (Partikel/Faser) und des Metallgehaltes untersucht.

Die exzellenten Eigenschaften einer Keramik beziehen sich auf den hohen Schmelzpunkt, die gute Hochtemperaturfestigkeit sowie hohe Elastizitätsmodul- und Härtewerte. Weiterhin zeichnen sich die anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffebesonders durch ihre gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aus.Bedingt durch die erschwerte Versetzungsbewegung weisen keramische Werkstoffeeine höhere Sprödigkeit auf. Metallische Werkstoffedagegen sind in der Regel duktil und zeigen meist ein duktiles Bruchverhalten. Lokale Spannungsspitzen können durch plastische Verformung abgebaut werden.Das Ziel dieser Arbeit ist es, das grundsätzlich unterschiedliche Werkstofferhalten einer Keramik und eines Metalls miteinander zu kombinieren, um die Bruchzähigkeit des Keramik-Metall-Verbundwerkstoffes zu erhöhenDie fein verteilten Metalle sollen die Rissausbreitung behindern. Es können unterschiedliche Mechanismen wirken. Im Vergleich zur unverstärkten Keramik ist eine höhere Bruchenergie aufzubringen, um den Riss voran zu treiben. Die Erhöhung der Bruchenergie spiegelt sich in einer höheren Bruchzähigkeit wieder.Um eine duktile Phase in einer spröden Zirkoniumdioxidmatrix zu erzeugen, werden für die Untersuchungen unterschiedliche Metalle eingebracht. Dadurch soll die Bruchzähigkeit als Schadenstoleranz gegenüber dem Totalversagen erhöht werden. Die resultierenden Eigenschaften der Keramik-Metall-Verbundwerkstoffewerden analysiert und charakterisiert.Die Untersuchungen umfassen das pulvermetallurgische Einbringen von metallischen Pulvern mit verschiedenen Teilchengrößen sowie die chemische Einbringung von Präkursoren, die in nanokristalline Metallpartikel umgewandelt werden. Dabei kommen verschiedene Metalle mit unterschiedlichen Wechselwirkungen und Spannungen durch thermische Fehlpassungen in der Matrix zur Anwendung. Zusätzlich wird die Auswirkung der Variation der Verstärkungsform (Partikel/Faser) und des Metallgehaltes untersucht.

Zur Erweiterung der Grundlagenkenntnisse für diese beiden bisher wenig genutzten Verstärkungsfasern werden in dieser Arbeit Einzelfaserzugversuche durchgeführt, um den Einfluss der Prüfbedingungen und der Faseroberflächenbehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu charakterisieren. Durch die Analysen der unimodalen und bimodalen Weibullverteilung wird der Zusammenhang zwischen der Faserzugfestigkeit und den kritischen Oberflächendefekten untersucht. Um den Einfluss der Faseroberflächenbehandlungen auf die Oberflächenenergien und Grenzflächenhaftung zu ermitteln, werden in dieser Arbeit der Schlichteauftrag aus wässriger Phase (Silan, Filmbildner), Plasmabehandlungen in verschiedenen Medien, Excimer-UV-Bestrahlungen in Anwesenheit verschiedener Monomeren und eine Säurebehandlung durchgeführt. Zur Charakterisierung der Oberflächentopografie der oberflächenbehandelten Fasern vor und nach dem Einzelfaserauszugversuch wird die Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet. Der Effekt einer Plasmabehandlung auf die freie Oberflächenenergie der PBO-Fasern und die Grenzflächenscherfestigkeit wird mittels der Kontaktwinkelmessung und der Einzelfaserauszugprüfung untersucht. Um die durch diese Oberflächenmodifizierungen hervorgerufenen Veränderungen der mechanischen Verbundeigenschaften sowie der Faser-Matrix-Haftung zu charakterisieren, werden in dieser Arbeit sowohl endlosfaserverstärkte thermoplastische und duroplastische Unidirektionalverbunde bzw. kurzfaserverstärkte thermoplastische Verbunde als Modellfälle betrachtet, bei denen sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Matrix signifikant unterschiedlich sind. Zur Verstärkung werden zwei ausgewählte Fasermaterialien (Basalt- und PBO-Fasern) und als Matrix zwei Thermoplaste (PP und PA6) sowie ein Epoxidharz ausgewählt. Der Einsatz von Commingling-Hybridfäden zur Entwicklung der thermoplastischen Unidirektionalverbunde erfordert Voruntersuchungen zur Lufttexturierung mit verschiedenen Düsen und Auswahl der günstigsten Prozessparameter.

Das thermische Spritzen ist geeignet Kompositschichten herzustellen, deren Einsatzgebiet hauptsächlich im Verschleißschutz liegt. Bisher lag der Schwerpunkt in der Untersuchung partikelverstärkter Schichten. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von C-kurzfaserverstärkten Schichten mit einer Aluminiummatrix. Als Spritzverfahren kamen das DC-Plasmaspritzen und das HF-Plasmaspritzen zur Anwendung. Die Aluminiumpulver und Kohlenstoffkurzfasern werden dafür agglomeriert. Gegenübergestellt wurden für beide Spritzverfahren die Mikrostrukturen der Schichten und das Verschleißverhalten. Die Kompositschichten können im Vergleich mit unverstärktem Aluminium ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten aufweisen. Dies konnte in Gleit- und Schwingverschleißprüfungen nachgewiesen werden. Weiterhin wird auf eine für thermisch gespritzte Schichten charakteristische Fasereinbettung in die metallische Matrix hingewiesen, die zu einem speziellen Schädigungsmechanismus bei den Verschleißtests führt.

Zur Erweiterung der Grundlagenkenntnisse für diese beiden bisher wenig genutzten Verstärkungsfasern werden in dieser Arbeit Einzelfaserzugversuche durchgeführt, um den Einfluss der Prüfbedingungen und der Faseroberflächenbehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu charakterisieren. Durch die Analysen der unimodalen und bimodalen Weibullverteilung wird der Zusammenhang zwischen der Faserzugfestigkeit und den kritischen Oberflächendefekten untersucht. Um den Einfluss der Faseroberflächenbehandlungen auf die Oberflächenenergien und Grenzflächenhaftung zu ermitteln, werden in dieser Arbeit der Schlichteauftrag aus wässriger Phase (Silan, Filmbildner), Plasmabehandlungen in verschiedenen Medien, Excimer-UV-Bestrahlungen in Anwesenheit verschiedener Monomeren und eine Säurebehandlung durchgeführt. Zur Charakterisierung der Oberflächentopografie der oberflächenbehandelten Fasern vor und nach dem Einzelfaserauszugversuch wird die Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet. Der Effekt einer Plasmabehandlung auf die freie Oberflächenenergie der PBO-Fasern und die Grenzflächenscherfestigkeit wird mittels der Kontaktwinkelmessung und der Einzelfaserauszugprüfung untersucht. Um die durch diese Oberflächenmodifizierungen hervorgerufenen Veränderungen der mechanischen Verbundeigenschaften sowie der Faser-Matrix-Haftung zu charakterisieren, werden in dieser Arbeit sowohl endlosfaserverstärkte thermoplastische und duroplastische Unidirektionalverbunde bzw. kurzfaserverstärkte thermoplastische Verbunde als Modellfälle betrachtet, bei denen sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Matrix signifikant unterschiedlich sind. Zur Verstärkung werden zwei ausgewählte Fasermaterialien (Basalt- und PBO-Fasern) und als Matrix zwei Thermoplaste (PP und PA6) sowie ein Epoxidharz ausgewählt. Der Einsatz von Commingling-Hybridfäden zur Entwicklung der thermoplastischen Unidirektionalverbunde erfordert Voruntersuchungen zur Lufttexturierung mit verschiedenen Düsen und Auswahl der günstigsten Prozessparameter.

Trotz der guten Drapierbarkeit ist das Formen von flachen Mehrlagen-Gestricken (MLG) zu 3D-Preforms für schalenartige Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Bauteile immer noch eine Herausforderung, da einige Defekte wie Falten, Gassenbildung oder Faserschäden nicht vollständig vermieden werden können. Daher ist vor der Massenproduktion eine Optimierung erforderlich. Die virtuelle Optimierung des Umformprozesses mit Hilfe von Finite-Element-Methode (FEM) Modellen ist ein attraktiver Ansatz, da die Rechenkosten immer geringer werden. Dazu wurde ein auf Kontinuumsmechanik basierendes Makromodell erfolgreich für MLG implementiert. Der makroskalige Modellierungsansatz bietet angemessene Rechenkosten und kann gängige Defekte wie Faltenbildung vorhersagen. Weitere Defekte wie Faserversatz, ondulierte Fasern, Knicken von Fasern, Faserschädigung und Gassenbildung können jedoch mit dem Makromodell nicht vorhergesagt werden. Da die Komplexität von Bauteilen aus FKV und die Qualitätsanforderungen an die 3D-Preforms zunehmen, sind FEM-Modelle mit höherem Darstellungsgrad erforderlich. Im am weitesten entwickelten mesoskaligen FEM-Modell für MLG verhindert die zu starke Vereinfachung des Strickfadensystems mit Federelementen jedoch die Fähigkeit dieses FEM-Modells, Faserverschiebungen und Gassenbildung bei großer Verformung zu beschreiben, wobei das Gleiten zwischen den Fäden berücksichtigt werden muss. Ziel ist daher die Entwicklung, Validierung und Anwendung eines mesoskaligen FEM-Modells für MLG, um die derzeitigen Einschränkungen zu überwinden. Es werden neue Modellierungsstrategien für biaxiale MLG auf der Mesoskala entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften von MLG werden durch eine Reihe von textilphysikalischen Prüfungen charakterisiert und analysiert, die alle notwendigen Daten für den Aufbau sowie die Validierung der FEM-Modelle liefern. Es sollen zwei Ansätze zur Modellierung des Verstärkungsgarns implementiert und verglichen werden: durch Balken- und durch Schalenelemente. Die validierten Modelle können für die Umformsimulation verwendet werden. Es folgt eine Benchmark-Studie über die Kapazität und Zuverlässigkeit der verfügbaren Makromodelle und der entwickelten Mesomodelle durch Umformsimulation. Als Grundlage für die Benchmark-Studie werden Umformversuche durchgeführt. Das zweite Ziel der Arbeit ist die Modellierung von FKV auf verschiedenen Skalen. Die Modellierung von FKV auf der Makroebene wird mit den Daten der Faserorientierung durchgeführt, die aus der Umformsimulation gewonnen werden. Eine Mapping-Methode hilft dabei, die vorhergesagte Faserorientierung aus der Umformsimulation von dem MLG Mesomodell auf das FKV-Makromodell zu übertragen. Um den FKV zu charakterisieren und die Parameter für das FKV Modell vorzubereiten, werden Versuche mit FKV durchgeführt und ausgewertet. Basierend auf dem Mesomodell des MLG wird eine weiteres FKV-Modell vorgeschlagen, wobei Garn und Matrix getrennt modelliert werden. Dieses mesoskalige FKV-Modell enthält auch eine Kontaktformulierung, mit der die Delamination im FKV-Bauteil vorhergesagt werden kann. Prüfungen von Schale-Rippen Strukturen dienen als Grundlage für die Modellvalidierung. Das validierte Modell wird erfolgreich zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens weiterer Schale-Rippen Strukturen mit unterschiedlicher Höhe und Anordnung der Rippen verwendet.:Kapitel 1 stellt die Einleitung und Problemstellung von dem Thema FKV vor. Kapitel 2 gibt eine Übersicht über Stand-der-Technik von den Hochleistungsfasern, Herstellung von textilen Verstärkungen und Halbzeugen, Fertigung von FKV sowie von Prüftechnik für Textilien und FKV. Zunächst wurden in Kapitel 3 eine Einführung in die Modellierung mit FEM allgemein und Stand-der-Technik der Modellierung von technische Textilien gegeben. In Kapitel 4 wurden die Zielsetzung und das Forschungsprogramm festgelegt. Die experimentellen Arbeiten werden in Kapitel 5 vorgestellt. Der erste Schritt ist die Auswahl des Materials und der Konfiguration für die MLG. Sowohl das Ausgangsmaterial als auch die produzierten MLG sollten systematisch getestet werden. Als Referenz wird auch ein Leinwandgewebe in die Prüfprogramme aufgenommen. Neben der Charakterisierung von textilen Flächengebilden sollen auch deren gleichwertige FKV geprüft werden. Das erste Ziel des Forschungsprogramms wird in Kapitel 6 erreicht, wobei verschiedene Ansätze zur Modellierung von MLG vorgestellt und validiert werden. Die entwickelten und validierten FEM-Modelle werden für die Benchmark-Studie der Umformsimulation in Kapitel 7 verwendet. Kapitel 8 befasst sich mit der Modellierung von FKV in verschiedenen Skalen. Zunächst wird das Mapping-Verfahren vorgestellt. Es wird ein Mapping für ein schalenförmiges T-Napf-Bauteil durchgeführt. Die trukturanalyse für das T-Napf-Bauteil erfolgt für übliche Lastfälle. Zweitens wird ein mesoskaliges FEM Modell für MLG-verstärkte FKV vorgeschlagen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Prüfdaten aus Kapitel 5 validiert. Das validierte Modell wird dann zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens eines Schale-Rippen-FKV-Bauteils unter Biegebelastung verwendet. Kapitel 9 gibt eine Zusammenfassung von den Forschungsergebnissen und Vorschlägen für mögliche weitere Forschungen rund um dem Thema MLG als Verstärkung für FKV. Die Kombination von vorhandenen Makro-und Mesomodellen in einer einzigen Simulation kann die Berechnungskosten senken, ohne die Vorhersagenfähigkeiten des Modelles kompromittiert zu werden.

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

A mechanical testing device was developed for testing the behavior of mineral-bonded composites under impact shear loading. The device is based on the well-known double shear specimen configuration and was designed to be used in a gravity split-Hopkinson tension bar (SHTB), enabling shear testing at high loading rates. In this work, results from impact shear testing performed on a normal cementitious matrix (NSM) and strain-hardening cement-based composites (SHCC) tested by means of the new device are presented and discussed. Failure behavior and fracture modes are analyzed using optical measurements and digital image correlation (DIC).