Delamination - Delamination

Delamination von kohlefaserverstärktem Polymer unter Druckbelastung.

Delamination ist eine Art des Versagens , wo ein Material , Frakturen in Schichten. Eine Vielzahl von Materialien einschließlich Laminat Komposite und Beton kann durch Delamination scheitern. Durch die Verarbeitung können Schichten in Materialien wie durch Walzen geformtem Stahl und Kunststoffen und Metallen aus dem 3D-Druck entstehen, die an der Schichttrennung scheitern können. Auch Oberflächenbeschichtungen wie Lacke und Folien können aus dem beschichteten Substrat delaminieren.

Bei laminierten Verbundwerkstoffen versagt oft zuerst die Haftung zwischen den Schichten, wodurch sich die Schichten trennen. Beispielsweise werden in faserverstärkten Kunststoffen Platten mit hochfester Verstärkung (zB Kohlefaser , Glasfaser ) durch eine viel schwächere Polymermatrix (zB Epoxid ) miteinander verbunden. Insbesondere können senkrecht zu den hochfesten Schichten aufgebrachte Belastungen und Scherbelastungen dazu führen, dass die Polymermatrix bricht oder sich die Faserverstärkung vom Polymer löst.

Delamination tritt auch in Stahlbeton auf, wenn oberflächennahe Metallbewehrungen korrodieren. Das oxidierte Metall hat ein größeres Volumen und verursacht Spannungen, wenn es durch den Beton eingeschlossen wird. Wenn die Spannungen die Festigkeit des Betons überschreiten, können sich Risse bilden und sich ausbreiten, um sich mit benachbarten Rissen zu verbinden, die durch korrodierte Bewehrungsstäbe verursacht werden, wodurch eine Bruchebene entsteht, die parallel zur Oberfläche verläuft. Sobald sich die Bruchebene entwickelt hat, kann sich der Beton an der Oberfläche vom Untergrund lösen.

Durch die Verarbeitung können Schichten in Materialien entstehen, die durch Delamination versagen können. Bei Beton können Oberflächen durch unsachgemäße Verarbeitung abplatzen. Wenn die Oberfläche durch Spachteln bearbeitet und verdichtet wird, während der darunterliegende Beton Wasser und Luft ausblutet, kann sich die dichte Deckschicht vom Wasser und der nach oben drängenden Luft lösen. Bei Stählen kann das Walzen eine Mikrostruktur erzeugen, wenn die mikroskopischen Körner in flachen Blechen ausgerichtet sind, die in Schichten brechen können. Außerdem bauen bestimmte 3D-Druckverfahren (z. B. Fused Deposition ) Teile in Schichten auf, die während des Druckens oder der Verwendung delaminieren können. Beim Drucken von Thermoplasten mit Schmelzbeschichtung kann das Abkühlen einer heißen Kunststoffschicht, die auf eine kalte Substratschicht aufgetragen wird, aufgrund unterschiedlicher thermischer Kontraktion und Schichttrennung zu Biegungen führen.

Prüfmethoden

Es gibt mehrere zerstörungsfreie Prüfmethoden, um Delamination in Strukturen zu erkennen, einschließlich visueller Inspektion , Klopfprüfung (dh Sondierung), Ultraschall , Radiographie und Infrarot-Bildgebung .

Die visuelle Inspektion ist nützlich, um Delaminationen an der Oberfläche und an den Kanten von Materialien zu erkennen. Eine visuelle Inspektion kann jedoch möglicherweise keine Delamination innerhalb eines Materials erkennen, ohne das Material aufzuschneiden.

Klopftest oder Sondierung beinhaltet das sanfte Schlagen des Materials mit einem Hammer oder einem harten Gegenstand, um eine Delamination basierend auf dem resultierenden Geräusch zu finden. Bei laminierten Verbundwerkstoffen weist ein klares Klingeln auf ein gut verbundenes Material hin, während ein dumpferes Geräusch auf das Vorhandensein von Delamination aufgrund des Defekts, der den Aufprall dämpft, hinweist. Klopftests sind gut geeignet, um große Fehler in Flachplattenverbundwerkstoffen mit einem Wabenkern zu finden, während dünne Laminate kleine Fehler aufweisen können, die durch Geräusche nicht wahrnehmbar sind. Die Verwendung von Ton ist ebenfalls subjektiv und hängt von der Hörqualität und dem Urteilsvermögen des Prüfers ab. Jegliche absichtliche Variation des Teils kann auch die Tonhöhe des erzeugten Tons verändern und die Prüfung beeinflussen. Einige dieser Variationen umfassen Lagenüberlappungen, Lagenzahländerungsrillen, Kerndichteänderung (falls verwendet) und Geometrie.

In Stahlbeton klingen intakte Bereiche massiv, während delaminierte Bereiche hohl klingen. Die Klopfprüfung großer Betonkonstruktionen wird entweder mit einem Hammer oder mit einem Kettenschleppgerät für horizontale Oberflächen wie Brückendecks durchgeführt. Brückendecks in Ländern mit kaltem Klima, die Auftausalze und Chemikalien verwenden, unterliegen gewöhnlich einer Delamination und werden als solche typischerweise für eine jährliche Inspektion durch Kettenziehen sowie nachfolgende Reparaturen der Oberfläche geplant.

Testmethoden zur Delaminationsbeständigkeit

Beschichtungsdelaminationstests

ASTM stellt Standards für Lackhaftungstests bereit, die qualitative Messungen für die Beständigkeit von Lacken und Beschichtungen gegen Delamination von Substraten liefern. Die Tests umfassen Gitterschnitttest, Kratzhaftung und Abziehtest .

Interlaminare Bruchzähigkeitsprüfung

Bruchzähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die die Widerstandsfähigkeit gegen Bruch und Delamination beschreibt. Sie wird durch den kritischen Spannungsintensitätsfaktor oder die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate bezeichnet . Für unidirektionale Faserpolymer verstärktes Laminat Komposite stellt ASTM Standards zur Bestimmung Modus I - Bruchzähigkeit und Modus II Bruchzähigkeit der interlaminaren Matrix. Während der Tests werden Last und Verschiebung zur Analyse aufgezeichnet, um die Dehnungsenergiefreisetzungsrate aus der Nachgiebigkeitsmethode zu bestimmen . in Bezug auf die Einhaltung ist gegeben durch${\displaystyle K_{c}}$ ${\displaystyle G_{c}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$${\displaystyle G_{IIC}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle\delta}$${\displaystyle G}$

${\displaystyle G={\frac {P^{2}}{2B}}{\frac {dC}{da}}}$ (1)

wobei die Änderung der Nachgiebigkeit (Verhältnis von ), die Dicke der Probe und die Änderung der Risslänge ist. ${\displaystyle dC}$${\displaystyle C}$${\displaystyle \delta /P}$${\displaystyle B}$${\displaystyle da}$

Modus I interlaminare Bruchzähigkeit

Schema einer verformten Doppelkragträgerprobe.

ASTM D5528 spezifiziert die Verwendung der Probengeometrie mit doppeltem Auslegerbalken (DCB) zur Bestimmung der interlaminaren Bruchzähigkeit im Modus I. Eine Doppelauslegerträgerprobe wird hergestellt, indem eine Antihaftfolie zwischen den Verstärkungsschichten in der Mitte des Trägers angebracht wird, bevor die Polymermatrix ausgehärtet wird, um einen anfänglichen Riss der Länge zu erzeugen . Während der Prüfung wird die Probe vom Ende der anfänglichen Rissseite des den Riss öffnenden Balkens auf Zug belastet. Unter Verwendung der Nachgiebigkeitsmethode ist die kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate gegeben durch${\displaystyle a_{0}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta_{C}}{2Ba}}}$ (2)

wobei und die maximale Last bzw. die maximale Verschiebung sind, indem bestimmt wird, wann die Lastdurchbiegungskurve mit einer vom Ursprung gezogenen Linie mit einer 5%igen Zunahme der Nachgiebigkeit nichtlinear geworden ist. Normalerweise überschätzt Gleichung 2 die Bruchzähigkeit, da die beiden freitragenden Balken der DCB-Probe eine endliche Rotation am Riss haben. Die endliche Drehung kann korrigiert werden durch Berechnung mit einem etwas längeren Risse mit einer Länge Geben${\displaystyle P_{C}}$${\displaystyle \delta_{C}}$${\displaystyle G}$${\displaystyle a+\Delta}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta_{C}}{2B(a+\Delta)}}}$ (3)

Die Risslängenkorrektur kann experimentell berechnet werden, indem die Anpassung der kleinsten Quadrate der Kubikwurzel der Nachgiebigkeit gegen die Risslänge aufgetragen wird . Die Korrektur ist der Absolutwert des x-Achsenabschnitts. Die Bruchzähigkeit kann auch mit der Nachgiebigkeitskalibriermethode korrigiert werden, sofern angegeben durch${\displaystyle \Delta}$${\displaystyle C^{1/3}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle \Delta}$${\displaystyle G_{Ic}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {nP_{C}\delta_{C}}{2Ba}}}$ (4)

wo ist die Steigung der Anpassung der kleinsten Quadrate von vs. . ${\displaystyle n}$${\displaystyle\log(C)}$${\displaystyle\log(a)}$

Modus II interlaminare Bruchzähigkeit

Schema des Kantenkerbbiegetests.

Die interlaminare Bruchzähigkeit des Modus II kann durch einen Kantenkerbbiegetest gemäß ASTM D7905 bestimmt werden. Die Probe wird auf ähnliche Weise wie die DCB-Probe hergestellt, wobei ein anfänglicher Riss mit der Länge eingeführt wird, bevor die Polymermatrix gehärtet wird. Wenn die Prüfung mit dem Anfangsriss (nicht vorgerissenes Verfahren) durchgeführt wird, ist die Kandidatenbruchzähigkeit gegeben durch ${\displaystyle a_{0}}$${\displaystyle G_{Q}}$

${\displaystyle G_{Q}={\frac {3mP_{\max}^{2}a_{0}^{2}}{2B}}}$

wobei die Dicke der Probe und die maximale Belastung ist und ein Anpassungsparameter ist. wird durch experimentelle Ergebnisse mit einer Anpassung der Nachgiebigkeit nach der Methode der kleinsten Quadrate gegen die Risslänge, gewürfelt mit der Form von ${\displaystyle B}$${\displaystyle P_{\max}}$${\displaystyle m}$${\displaystyle m}$${\displaystyle C}$${\displaystyle a^{3}}$

${\displaystyle C=A+ma^{3}}$.

Die in Frage kommende Bruchzähigkeit ist gleich der Bruchzähigkeit im Modus II, wenn die Dehnungsenergiefreisetzungsrate innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes von bei unterschiedlichen Risslängen, spezifiziert durch ASTM, liegt. ${\displaystyle G_{Q}}$${\displaystyle G_{IIc}}$${\displaystyle G_{Q}}$

Verweise