In-situ-Eigenschaften von Konstituenten

Lernen Sie den Unterschied zwischen Bulk- und In-situ-Eigenschaften von Konstituenten kennen, und erfahren Sie, warum In-situ-Eigenschaften von Konstituenten für die MCT-Materialcharakterisierung erforderlich sind.

Bulk-Eigenschaften von Konstituenten sind Eigenschaften, die unter Verwendung homogener Test-Materialmuster, die aus einem Material mit einer einzigen Konstituenten bestehen, gemessen werden. Im Allgemeinen wird ein mikromechanisches Finite-Element-Modells, das Bulk-Eigenschaften von Konstituenten verwendet, keine präzisen homogenisierten Eigenschaften für das Verbundmaterial liefern. Die Unfähigkeit des mikromechanischen Finite-Element-Modells, präzise homogenisierte Eigenschaften für das Verbundmaterial zu prognostizieren, wird durch mehrere unterschiedliche Faktoren verursacht, wie unten beschrieben.

1. Das mikromechanische Finite-Element-Modell repräsentiert eine idealisierte Mikrostruktur, nicht die tatsächliche Mikrostruktur.
   • In einem realen Verbundmaterial mit einem Faservolumenanteil von φf zeigen die Fasern eine eher zufällige Verteilung mit lokalen Bereichen, in denen Fasern einander berühren, und anderen Bereichen, in denen der Abstand zwischen Fasern relativ groß ist. Auch wenn wir versuchen, ein mikromechanisches Finite-Element-Modell mit zufälligen Faserabständen zu verwenden, darf bezweifelt werden, dass das Modell korrekt denselben Grad von Zufälligkeit produziert, wie ihn das tatsächliche Verbundmaterial aufweist.
   • Das tatsächliche Verbundmaterial zeigt in der Regel eine charakteristische Verteilung verschiedener Defekte auf mikrostrukturaler Ebene, die durch Fertigungs- und Aushärtungsprozesse verursacht werden. In der Praxis wird angenommen, dass das mikromechanische Finite-Element-Modell vollständig frei von diesen Mikrodefekten ist.
2. Kenntnisse bezüglich der mechanischen und thermischen Eigenschaften der Grenzregion zwischen Faser und Matrix fehlen meist völlig. Daher werden Festigkeit und Steifheit der Grenzregion nicht explizit im mikromechanischen Finite-Element-Modell berücksichtigt.
3. Auch wenn die Bulk-Eigenschaften der Matrix auf präzisen Messungen basieren, die an Bulk-Matrixmaterial durchgeführt wurden, ist es sehr unwahrscheinlich, dass das Bulk-Matrixmaterial identischen Aushärtungsbedingungen (z. B. Temperatur, Druck, Verformung, Chemikalien der Umgebung) unterworfen wurde, denen dasselbe Matrixmaterial in einer faserverstärkten Verbundlage ausgesetzt ist. Daher gehen wir davon aus, dass diese Unterschiede bei den Aushärtungsbedingungen dazu führen, dass das Harz im Verbundmaterial sich etwas anders verhält als das Bulk-Harzmaterial.
4. Kenntnisse bezüglich der bulk-mechanischen und -thermischen Eigenschaften der Faser- und Matrixkonstituenten sind in der Regel unvollständig. In der Praxis werden einige Bulk-Eigenschaften von Konstituenten tatsächlich gemessen, einige sind geschätzt, basierend auf Messungen von ähnlichen Materialien, und einige sind einfach nur geschätzt.
5. Da Faserstränge in gewebten Verbundmaterialien wellen, sind ihre Eigenschaften in einem globalen Koordinatensystem nicht identisch mit den Eigenschaften in ihren lokalen Materialkoordinaten.

Eine Möglichkeit, allen unter den Punkten 1 bis 4 erwähnten Abweichungen und Unsicherheiten Rechnung zu tragen, besteht darin, geänderte Konstituenteneigenschaften (anstelle von gemessenen Bulk-Konstituenteneigenschaften) zu verwenden. Diese geänderten Konstituenteneigenschaften bewirken, dass das mikromechanische Finite-Element-Modell die elastischen Eigenschaften hervorruft, die für das Verbundmaterial tatsächlich gemessen wurden (z. B. Steifheit, Poisson-Effekt und thermische Ausdehnung). Diese geänderten Konstituenteneigenschaften werden als In-situ-Eigenschaften von Konstituenten bezeichnet, um zu betonen, dass sie absichtlich ausgewählt werden, um ordnungsgemäß in einem bestimmten mikromechanischen Finite-Element-Modell eines bestimmten Verbundmaterials zu funktionieren. Dies führt dazu, dass das Finite-Element-Modell die gemessenen Verbundmaterialeigenschaften hervorbringt. Das Konzept der Entwicklung von In-situ-Konstituenteneigenschaften kann man sich als absichtliche Feinabstimmung eines Aspekts des mikromechanischen Finite-Element-Modells (d. h. der Materialeigenschaften) vorstellen, um alle anderen Fehler und Unbekannten im mikromechanischen Finite-Element-Modell zu kompensieren. Der Prozess der Ermittlung der In-situ-Konstituenteneigenschaften ist ein mathematisches Optimierungsproblem. Die Bulk-Konstituenteneigenschaften werden iterativ angepasst, um den Fehler zwischen den gemessenen Verbundmaterialeigenschaften und den prognostizierten Verbundmaterialeigenschaften des mikromechanischen Finite-Element-Modell zu minimieren. Aus diesem Grund werden Standard-Optimierungsroutinen zur Ermittlung der In-situ-Konstituenteneigenschaften verwendet. Diese Optimierung wird derzeit unter Verwendung der Methode des steilsten Abstiegs durchgeführt.