MakeKryo III - Mechanisch-physikalisches Materialverhalten bei kryogenen Temperaturen

Abstract

Im Projekt MakeKryo III wurde ein Prüfstand zur Untersuchung von faserverstärkten Kunststoffen unter kryogenen Bedingungen verbessert. Die Kameras wurden außerhalb des Kryostaten positioniert und kalibriert, um genaue Messungen von Verschiebungen und Dehnungen zu ermöglichen. Die flächige Messung erlaubt eine detaillierte Analyse der Belastungszustände und Schädigungsprogression. Die Haftung des optischen Musters wurde bei verschiedenen Temperaturen geprüft und als ausreichend befunden. Verzerrungen durch die Sichtfenster wurden durch mathematische Korrekturen behoben. Die Schallemissionsanalyse wurde im Kryostaten erweitert, die Messkette optimiert und Störsignale reduziert. Erste Schallemissionssignale traten beim Rissfortschritt auf und korrelierten mit mechanischen Belastungsdaten. Herausforderungen bei der Ortung von Schallquellen während Prüfungen wurden identifiziert und adressiert. Die Kombination aus digitaler Bildkorrelation und Schallemissionsanalyse ermöglichte eine umfassende Charakterisierung der Schädigungsmechanismen auf mikro, meso- und makromechanischer Ebene. Mikrorisse und Delaminationen wurden als zentrale Mechanismen identifiziert. Mithilfe der gewonnenen Messdaten konnten bestehende Schädigungsmodelle erweitert und spezifische Mechanismen unter kryogenen Bedingungen abgeleitet werden. Zusätzlich wurden elektromagnetische Emissionen (EME) zur Bewertung der lq(Ox)-kompatibilität untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bis zum Rissfortschritt keine EME-Signale auftraten. Nach Einsetzen des Risswachstums war eine lineare Korrelation zwischen Rissfortschritt und EME-Signalen feststellbar. Ein Vergleich mit lq(OX)-kompatiblen Materialien war aufgrund von Lieferschwierigkeiten leider nicht möglich. Zusammenfassend konnten durch das Forschungsvorhaben signifikante Fortschritte in der Werkstoffcharakterisierung unter kryogenen Bedingungen erzielt werden. Die entwickelten Prüfvorrichtungen und die erweiterten Messtechniken legen eine solide Basis für zukünftige Anwendungen und weiterführende Forschungsvorhaben. In the MakeKryo III project, a test bench for investigating fiber-reinforced plastics under cryogenic conditions was improved. The cameras were positioned outside the cryostat and calibrated to enable accurate measurements of displacements and strains. The planar measurement allows for a detailed analysis of stress conditions and damage progression. The adhesion of the optical pattern was tested at different temperatures and deemed sufficient. Distortions caused by the viewing windows were corrected through mathematical adjustments. The acoustic emissions analysis was expanded in the cryostat, the measurement chain optimized, and interference signals reduced. Initial acoustic emission signals occurred during crack progression and correlated with mechanical load data. Challenges with locating sound sources during tests were identified and addressed. The combination of digital image correlation and acoustic emissions analysis enabled a comprehensive characterization of damage mechanisms at the micro, meso, and macro levels. Microcracks and delaminations were identified as key mechanisms. The acquired measurement data expanded existing damage models and derived specific mechanisms under cryogenic conditions. Additionally, electromagnetic emissions (EME) were investigated to evaluate compatibility with LOX. The results showed that no EME signals occurred before crack initiation. After crack growth began, a linear correlation between crack progression and EME signals was observed. Unfortunately, due to delivery difficulties, a comparison with LOX-compatible materials was not possible. In summary, significant progress in material characterization under cryogenic conditions was achieved through the research project. The developed testing devices and expanded measurement techniques provide a solid foundation for future applications and further research projects.