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Titelaufnahme

Titel
Charakterisierung von porösen carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit optisch angeregter Puls-Thermographie / eingereicht von Dipl.-Ing. (FH) Günther Mayr
Weitere Titel
Characterization of porous carbon fiber reinforced polymer components using optical excited pulse thermography
VerfasserMayr, Günther
Begutachter / BegutachterinHendorfer, Günther ; Major, Zoltan
ErschienenLinz, Jänner 2016
Umfangx, 148 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zusammenfassung in deutscher und englischer Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Carbonfaserverstärkte Kunststoffe / Porosität / aktive Thermographie / effektiv Medium Theorie / Temperaturleitfähigkeit
Schlagwörter (EN)carbon fiber reinforced polymer / porosity / active thermography / effective medium theory / thermal diffusivity
Schlagwörter (GND)Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoffwerkstoff / Kunststoff / Porosität / Thermografie / Temperaturleitfähigkeit
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-9181 Persistent Identifier (URN)
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Charakterisierung von porösen carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit optisch angeregter Puls-Thermographie [21.96 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der Luftfahrtindustrie stellt die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Bauteilen auf verdeckte Fehlstellen einer der kritischsten Aspekte in der Konstruktion und Fertigung dar. Das Prinzip der fehlertoleranten Konstruktion erfordert von ZfP Verfahren nicht nur das Auffinden der Fehlstellen, sondern auch eine Charakterisierung der Defektgröße. Eine kritische und nicht gänzlich zu vermeidende Fehlerklasse bei kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ist der Einschluss von gasgefüllten Poren, der sogenannten Porosität. Matrix-dominierte Materialeigenschaften, wie die transversale Zugfestigkeit und interlaminare Scherfestigkeit, nehmen stark mit steigender Porosität ab. Die zerstörungsfreie Charakterisierung von porösen Strukturen ist daher unabdingbar für den breiten Einsatz von CFK in sicherheitsrelevanten Luftfahrtbauteilen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer modellbasierten Analysemethode zur quantitativen Bestimmung der Porosität mittels der ZfP Methode Puls-Thermographie. Die Puls-Thermographie ermöglicht eine großflächige und bildgebende Detektion inhomogener Materialeigenschaften. Die von dem Material- und der Mikrostruktur abhängige Oberflächentemperatur wird berührungslos mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet. Die thermische Anregung erfolgt mittels leistungsfähiger Blitzröhren, welche das Bauteil durch die Absorption von optischer Strahlung kurzzeitig erwärmen. Durch die Anpassung von Lösungen der Wärmeleitungsgleichung an das zeit- und ortsabhängige Temperaturfeld kann die Temperaturleitfähigkeit bestimmt werden. Eine Weiterentwicklung von Materialmodellen auf Basis der Effektiv-Medium-Theorie wird für die quantitative Bestimmung der globalen Porosität in einem repräsentativen Elementarvolumen benutzt. Voraussetzung für die Anwendung dieser Theorie ist die statistisch homogene Verteilung der Poren, welche durch die Analyse der Mikrostruktur mit n-Punkt Korrelationsfunktionen bestimmt wird. Um die spezifische Ausprägung der Mikrostruktur in der Modellierung zu berücksichtigen, werden durch Analyse der Verhältnisse der Achsen einer repräsentativen Pore die porositätsabhängigen Entthermalisierungsfaktoren bestimmt. Diese neu entwickelten Materialmodelle ermöglichen erstmals eine direkte Berechnung der Porosität anhand der ortsaufgelösten Messung der effektiven Temperaturleitfähigkeit. Die Charakterisierung der Porosität mit modellbasierten Auswertemethoden der Puls-Thermographie wurde an 116 kalibrierten CFK Proben mit einer Porosität von

Zusammenfassung (Englisch)

In the aviation industry the non-destructive testing (NDT) of components is one of the most critical aspects in design and manufacturing. The principle of damage-tolerant design requires NDT methods capable of finding flaws and characterizing defect sizes. A critical and unavoidable defect type in carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is the inclusion of gas-filled pores, also known as porosity. Matrix-dominated material properties such as transverse tensile strength and interlaminar shear strength decrease with increasing porosity. The characterization of porous structures is therefore essential for the wide use of CFRP in safety-relevant aviation components. The aim of this thesis is the development of a model-based analytical method for the quantitative determination of porosity using the emerging NDT method of pulsed thermography. Pulsed thermography allows the imaging of inhomogeneous material properties across a large area. An infrared camera is used to measure the temperature distribution on the surface, which depends on the material properties and microstructure. Flash lamps with a high energy deposition are used as a source of heat. The absorption of optical radiation heats up the specimen surface rapidly. The thermal diffusivity can be determined by fitting solutions of the heat conduction equation to the measured time- and space-dependent temperature fields. A further development of material models based on the effective-medium theory (EMT) is used for the quantitative determination of the global porosity in a representative elementary volume. The precondition for the application of the EMT is a statistically homogeneous distribution of pores. The n-point probability functions are used to analyze the randomness of the heterogeneous microstructure. The porosity dependent Dethermalization Factors are determined by analyzing the axial ratios of the average pore shapes, taking the specific character of the microstructure into account for the mathematical modeling. These newly developed material models allow for the first time a direct calculation of the porosity based on spatially resolved measurements of the effective thermal diffusivity. The model-based porosity prediction using pulsed thermography was calibrated on 116 CFRP specimens with porosity of