ASTM D6641/D6641M Kompressionseigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen

Die von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Norm „ASTM D6641/D6641M Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Load-Compression (CLC) Test Fixture“ beschreibt die Druckfestigkeits- und Härteeigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen mithilfe einer kombinierten Last-Kompressions-Prüfvorrichtung (CLC). Diese Prüfmethode ist auf allgemeine Verbundwerkstoffe anwendbar, die ausgewogen und symmetrisch sind.

Die Probe kann je nach Bedarf ohne Laschen (Methode A) oder mit Laschen (Methode B) sein. Voraussetzung für eine erfolgreiche Prüfung ist, dass die Probenenden während der Prüfung nicht gequetscht werden. Proben ohne Laschen eignen sich im Allgemeinen für Materialien mit geringer Orthotropie, wie z. B. Gewebe, Schnittfaserverbundwerkstoffe und Laminate mit maximal 50 % 0-Grad-Laminierung oder gleichwertigem Verhalten. Materialien mit höherer Orthotropie, einschließlich unidirektionaler Verbundwerkstoffe, erfordern im Allgemeinen Laschen.

Die Druckkraft wird durch kombinierte End- und Scherbelastung in die Probe eingeleitet. Im Vergleich dazu ist die in ASTM D3410/D3410M beschriebene Prüfmethode eine reine Scherbelastungs-Druckprüfmethode, während ASTM D695 eine reine Endbelastungsprüfmethode beinhaltet. Geprüft werden können unidirektionale (0-Grad-Lagenorientierung) Verbundwerkstoffe und multidirektionale Verbundlaminate, Gewebeverbundwerkstoffe, Schnittfaserverbundwerkstoffe und ähnliche Materialien.

Dieses Prüfverfahren dient der Ermittlung von Druckeigenschaftsdaten für Materialeigenschaften, Forschung und Entwicklung, Qualitätssicherung sowie Strukturdesign und -analyse. Tabellarische Proben (Verfahren B), die typischerweise bei der Prüfung unidirektionaler Verbundwerkstoffe verwendet werden, ähneln dem Prüfverfahren für kombinierte Druckbelastung (CLC) (kombinierte Scherendbelastung), dem ASTM D3410/D3410M-Standard (Scherbelastung) und dem ASTM D695-Standard (Endbelastung).

Die Vorteile der kombinierten Belastung werden besonders deutlich bei der Prüfung von Materialien mit geringerer Festigkeit (Verfahren A), bei dem Proben mit kombinierter Belastung und Kompression (CLC) ohne Lasche verwendet werden können. Proben ohne Lasche desselben Materials können mit den beiden anderen Methoden möglicherweise nicht erfolgreich geprüft werden. Bei der Prüfung spezifischer Laminate werden Daten der kombinierten Belastung und Kompression (CLC) häufig verwendet, um die 0-Grad-Lagenfestigkeit abzuleiten, und die Laminierungstheorie wird verwendet, um die 0-Grad-Festigkeit des unidirektionalen Laminats zu berechnen.

Zu den Faktoren, die das Druckverhalten beeinflussen, gehören: Materialtyp, Materialvorbereitung und Platzierungsverfahren, Stapelreihenfolge der Proben, Probenvorbereitung, Probenkonditionierung, Prüfumgebung, Prüfgeschwindigkeit, Zeit bei Temperatur, Hohlraumgehalt und Volumenprozentverstärkung. Zu den Verbundeigenschaften in Prüfrichtung, die mit dieser Prüfmethode ermittelt werden können, gehören:

• ultimative Druckfestigkeit
• ultimative Druckspannung
• Druckelastizitätsmodul (linear oder Sehnenelastizitätsmodul)
• Poissonzahl im Druck

In der Norm ASTM D6641 beziehen sich Methode A und Methode B auf zwei verschiedene Verfahren zur Messung der Druckeigenschaften von Verbundwerkstoffen, je nachdem, wie die Dehnung gemessen wird:

• Methode A: Dehnungsmessung (mit Dehnungsmessstreifen oder Extensometern): Die Dehnungsmessung erfolgt mit Dehnungsmessstreifen oder einem Extensometer, die direkt auf der Probe angebracht werden. Mit dieser Methode können neben der Druckfestigkeit auch der Druckmodul (E), die Poissonzahl und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten bestimmt werden. Bei diesen Versuchen werden axiale Dehnungsmessstreifen oder Extensometer verwendet. Optional werden Querdehnungsmessungen zur Bestimmung der Poissonzahl durchgeführt. Vorteile dieser Methode, bietet eine hohe Genauigkeit bei der Modulbestimmung und eine vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurve.
• Methode B: Nur Festigkeit (keine Zugmessung): Es wird ausschließlich die Druckfestigkeit gemessen; Dehnungsmessstreifen oder Extensometer werden nicht verwendet. Diese Methode ist einzigartig, da sie nur dann eingesetzt wird, wenn die maximale Druckfestigkeit gemessen werden muss. Bei diesen Tests wird nur die Last gemessen (über eine Kraftmessdose an der Prüfmaschine). Die Vorteile dieser Methode liegen im einfacheren Aufbau sowie in der schnelleren und kostengünstigeren Durchführung, wenn keine Zugdaten benötigt werden.

Die Poissonzahl drückt das Verhältnis der proportionalen Abnahme der Querabmessung zur proportionalen Längenzunahme einer elastisch beanspruchten Materialprobe aus. Die Poissonzahl ist eine wesentliche Konstante bei Analysen zur Bestimmung der Zug- und Durchbiegungseigenschaften von Materialien (Kunststoffen oder Metallen).

Methode A bietet eine vollständige mechanische Charakterisierung, während Methode B eine schnelle Festigkeitsbewertung ermöglicht.

Unter kombinierter Belastungskompression (CLC) versteht man die Methode, Druckkraft auf eine Testprobe auszuüben, indem eine Kombination aus Folgendem verwendet wird:

• Endbelastung (direkte axiale Kompression von den Enden)
• Scherbelastung (Kraft, die von den Oberflächen der Probe durch die Scher-Griff-Wechselwirkung übertragen wird)

Diese Technik wird verwendet, um die Kompressionseigenschaften von faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen im ASTM D6641-Standard zu bestimmen.

Druckprüfungen von Verbundwerkstoffen können problematisch sein, wenn:

• Knicken dünner Proben
• Quetschung an den Lasteintrittspunkten (Enden)
• Rutschen oder ungleichmäßige Belastung bei sicherungsbasierten Systemen

Der kombinierte Ladeansatz behebt diese Probleme durch die Verteilung der Last:

• Die Endbelastung sorgt für eine axiale Druckkraft
• Scherbelastung hilft, die Last gleichmäßig durch die Seitengriffe zu übertragen

Zu den Vorteilen der kombinierten Lastkompression gehören:

• Minimiert Euler-Knicken (insbesondere bei dünnen Proben)
• Reduziert lokale Quetschungen an Griffen oder Spitzen
• Bietet eine genaue Messung von Festigkeit und Modul
• Kann unidirektionale und multidirektionale Laminate aufnehmen
• Bietet konsistente und wiederholbare Ergebnisse

• Vereint die Vorteile von Schneiden und Endladen

Unser Unternehmen unterstützt seit Jahren Unternehmen aller Branchen mit einem breiten Spektrum an Prüf-, Mess-, Analyse- und Evaluierungsaktivitäten. Es verfügt über ein starkes Team von Mitarbeitern, die die globalen Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgen und sich ständig weiterentwickeln. In diesem Zusammenhang bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß der „ASTM D6641/D6641M Standardtestmethode für Kompressionseigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen unter Verwendung der Prüfvorrichtung für kombinierte Druckbelastung (CLC)“ an.