Charakterisierung von porösen carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit optisch angeregter Puls-Thermographie

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.