Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse und Optimierung des Korrosions- und Alterungsverhaltens von hybriden Strukturen aus Metallen und CFK

Hybride Metall-CFK Strukturen besitzen ein großes Leichtbaupotenzial und sind daher besonders für den Automobilbau mögliche Lösungen für ressourceneffizientere Fahrzeuge. Die zeit- und kosteneffiziente Herstellung solcher hybriden Bauteile durch eine kombinierte Umformung und Aushärtung eines Prepregs ermöglicht zudem einen bezahlbaren Leichtbau für die Automobilindustrie. Für einen erfolgreichen und sicheren Einsatz hybrider Metall-CFK-Strukturen in der Serie müssen jedoch die Korrosions- und Alterungsmechanismen in der Grenzschicht solcher Bauteile hinreichend genau bekannt sein. Die Degradation der Adhäsion zwischen ausgehärteter CFK-Matrix und metallischem Bauteil wird zusätzlich aufgrund der stark unterschiedlichen elektrochemischen Potentiale der in Kontakt stehenden Einzelwerkstoffe (C-Fasern, Metalle) beeinflusst, weshalb es zu einem komplexen Korrosions- und Alterungsverhalten kommen kann.

In diesem Forschungsvorhaben sollen die Korrosions- und Alterungsvorgänge in der Grenzschicht zwischen Metall und CFK-Patch systematisch untersucht und optimiert werden. Die iterative Optimierung umfasst dabei entsprechende Oberflächenvorbehandlungsprozesse sowie den Prepregpressprozess selbst. Mittels kombinierten medial mechanischen Belastungen werden realistische Prüfungen zur Ermittlung der Korrosions- und Alterungseigenschaften durchgeführt. Die ermittelten Eigenschaften werden durch Prüfungen bauteilähnlicher Proben verifiziert. Durch die erzielten Projektergebnisse werden sowohl Anwender als auch Hersteller hybrider Strukturen, welche entlang der komplexen Wertschöpfungskette und aufgrund der bislang noch geringen Stückzahlen hybrider Bauteile häufig KMU sind, in die Lage versetzt, alterungs- und korrosionsstabile hybride Strukturen zur Verfügung zu stellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein nasschemisches Verfahren zur Abscheidung von Zinkoxid-Nanostäbchen auf verzinktem Stahlsubstrat entwickelt, dass zur Steigerung der Adhäsion und Alterungsbeständigkeit im hybriden Verbund mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff beiträgt. Auf Basis einer umfassenden Studie konnten wesentliche Parameter der Schichtbildung identifiziert und hinsichtlich ihrer Wirkungsweise erfasst werden. Wechselwirkungen zwischen dem Zustand der Substratoberfläche (Morphologie, elektrochemisches Verhalten) und der Haftung zu Polymer wurden anhand oberflächenanalytischer Verfahren und mechanischer Prüfungen untersucht. Innerhalb der gewählten Prozessgrenzen konnte ein zur Zielerreichung bestmöglicher Parametersatz identifiziert werden. Bezüglich der Haftung unter mechanischer Belastung wird durch die Beschichtung mit Zinkoxid-Nanostäbchen insgesamt eine signifikante Zunahme der Alterungsbeständigkeit, insbesondere im Vergleich zur alkalisch gereinigten Referenzoberfläche, festgestellt. Im Hinblick auf das Korrosions- und Alterungsverhalten wird diese Erkenntnis unter anderem durch eine verringerte Delaminationsgeschwindigkeit bestätigt. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens tragen somit zur Steigerung der Adhäsion und Alterungsbeständigkeit stoffschlüssiger Hybridverbindungen bei. Die Ergebnisse erhöhen darüber hinaus das Verständnis zum Einfluss des Oberflächenzustands auf Haftungs- und Enthaftungsvorgänge zwischen Metalloberflächen und Polymeren und sind dabei teilweise auf andere Materialkombinationen übertragbar.