DE3636202A1

DE3636202A1 - Composite material

Info

Publication number: DE3636202A1
Application number: DE19863636202
Authority: DE
Inventors: Joerg Heitzer; Claus Dr Mattheck
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1986-10-24
Publication date: 1988-05-05

Abstract

Composite material, such as for example fibre-reinforced ceramic, comprising a matrix and a reinforcing material embedded therein for taking up mechanical and/or thermal loads in an elongated, fibre-like structure. Here the reinforcing material or the fibre-like structure 8 has at least one local thickening 11 of the cross-section or increase in its surface area. Furthermore, a plurality of fibre-like structures 8 can be present in the matrix 7, each of which has at least one local thickening of the cross-section or increase in its surface area. With such a structure of the reinforcing material, the crack extension of a crack is inhibited by it being diverted at a bulge and arriving in a pressure region of the internal stress distribution. In this way, the crack tip is closed and the crack is stopped. The new composite material enables the crack growth phase as a component of the residual lifetime of a component manufactured from the new material to be considerably increased. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, wie z.B. Faserkeramik, gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruches 1.The present invention relates to a composite material, such as. Fiber ceramics, according to the preamble of the patent saying 1.

Zur Erhöhung der Zähigkeit und Bruchfestigkeit von auf Sprödbruch empfindlichen Materialien wurden bisher Stoffe, welche die Ent stehung, Ausbreitung und Vereinigung von getrennten Rissen verhindern sollen, eingelagert. Die Grundüberlegung hinter diesem Prinzip ist die folgende:To increase the toughness and breaking strength of brittle fracture sensitive materials were previously substances that the Ent formation, spreading and union of separate cracks should prevent stored. The basic thought behind this principle is the following:

Durch die Existenz von eingebauten "Schwächezonen", die Grenzflächen zwischen Verstärkungs- und Grundmaterial bzw. Matrix werden für den Riß günstigere Bahnen im Material vor gegeben. Das Prinzip der Rißumlenkung durch Grenzschichten steht auch hinter der Kurzfaser- und Partikelverstärkung. Unabhängig davon, wo der Riß anfängt, trifft er überall auf Hindernisse, die im für ihn ungünstigsten Fall senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung stehen. Falls das Material nicht schlagartig überbelastet wird, wächst der Riß um das Hindernis herum. Dabei verändert sich natürlich der Angriffswinkel der auf die Rißufer angreifenden Kräfte, was für gewöhnlich zu einer Abschwächung der Spannungskonzentration beschrieben durch den K-Faktor an der Rißspitze führt.Due to the existence of built-in "weak zones" that Interfaces between reinforcement and base material or Matrix will be more favorable for the tear in the material given. The principle of crack diversion through boundary layers is also behind the short fiber and particle reinforcement. Regardless of where the crack begins, it hits anywhere Obstacles that are perpendicular to the worst case for him its direction of propagation. If the material is not is suddenly overloaded, the crack around the obstacle grows around. Of course, the angle of attack changes forces attacking the cracks, which usually means described a weakening of the stress concentration by the K factor at the crack tip.

Bisher wurde versucht, durch Veränderung folgender Parameter die Zähigkeit und Bruchfestigkeit zu beeinflussen:So far, attempts have been made to change the following parameters to influence the toughness and breaking strength:

- Festigkeit der Grenzschicht.
Je fester die Bindung zwischen Faser und Matrix, desto mehr neigt das Material zum Sprödbruch. Auf der anderen Seite darf die Bindung auch nicht zu lose sein, da der Verbund sonst einfach auseinander fällt. - strength of the boundary layer.
The stronger the bond between fiber and matrix, the more the material tends to break. On the other hand, the bond must not be too loose, otherwise the bond will simply fall apart.
- Mischungsgrad.
Bei steigendem Faseranteil gehen die Vorteile, welche die Matrix in den Verbund einbringt, verloren. Man handelt sich gleichzeitig in verstärktem Maße die Fehler ein, die zur Rißintziierung an der Grenzfläche der Faser führen, z.B. Grenzflächenrisse durch unterschiedliche Schrumpfung beim Abkühlen.- degree of mixing.
As the fiber content increases, the advantages that the matrix brings into the composite are lost. At the same time, there are an increasing number of errors which lead to crack initiation at the fiber interface, for example interface cracks due to different shrinkage during cooling.
- Geometrische Anordnung der Fasern.
Faserabstand und räumliche Orientierung der Faser lassen sich nur bei langfaserverstärktem Material beeinflussen.- Geometric arrangement of the fibers.
The fiber spacing and spatial orientation of the fiber can only be influenced with long fiber reinforced material.
- Materialkombination.
Härtere Fasern entlasten das Matrixmaterial mehr, Fehl stellen in den Fasern sind aber um genau diesen Ent lastungsfaktor gefährlicher.- material combination.
Harder fibers relieve the matrix material more, but imperfections in the fibers are more dangerous by exactly this relief factor.
Chemische Unverträglichkeiten zwischen den Komponenten schränken die möglichen Kombinationen weiter ein.Chemical incompatibilities between the components further restrict the possible combinations.
Beim Abkühlen des Materials entstehen zudem Thermospannungen, die schon in der unbelasteten Struktur Risse entstehen lassen, meist entlang der Grenzfläche zwischen Matrix und Verstärkungsstruktur.When the material cools, thermal stresses also arise, cracks already appear in the unloaded structure leave, mostly along the interface between matrix and Reinforcement structure.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Zähigkeit und Bruchfestigkeit von insbesondere keramischen Verbundwerkstoffen zu erhöhen, um die Belastbarkeit und Einsatzfähigkeit von keramischen Großteilen verbessern zu können.The object of the present invention is now the toughness and Breaking strength of ceramic composite materials in particular to increase the resilience and usability of to be able to improve large ceramic parts.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Er findung einen Verbundwerkstoff vor, wie er im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Besonders vorteilhafte Aus führungen des Verbundwerkstoffes sind in den Kennzeichen der Unteransprüche angegeben.The present Er proposes to solve this task Find a composite material, as in the hallmark of the Claim 1 is specified. Particularly advantageous off guides of the composite material are in the characteristics of the Subclaims specified.

Der neuartige Verbundwerkstoff ist in seiner Geometrie unab hängig von der Größenordnung der als Verstärkungsmaterial eingebetteten Strukturen und unabhängig vom Material und der gewählten Geometrie der Verstärkungsstrukturen, d.h. Faser, Platten oder Kugelschalen können eingesetzt werden. Bei dem neuartigen Verbundwerkstoff wird die Rißwachstumsphase als Bestandteil der Restlebensdauer erheblich gestreckt und damit Festigkeit und Zähigkeit von aus ihm hergestellte Bauteilen erhöht.The geometry of the new composite material is independent depending on the magnitude of that as a reinforcing material embedded structures and regardless of the material and the selected geometry of the reinforcement structures, i.e. Fiber, Plates or spherical shells can be used. In which novel composite material is called the crack growth phase Part of the remaining life stretched considerably and thus Strength and toughness of components made from it increased.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung bzw. des neuen Verbundwerkstoffes werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.Further details of the present invention or of the new composite material are explained in more detail below and with reference to FIGS. 1 to 5.

Es zeigenShow it

die Fig. 1 den Rißverlauf in einem herkömmlichen Verbund werkstoff, Fig. 1, the crack path material in a conventional composite,

die Fig. 2 einen Rißverlauf in einem Verbundwerkstoff mit neuartiger Faserstruktur, Fig. 2 is a crack path in a composite material with a novel fiber structure,

die Fig. 3 die Einzelheit A in der Fig. 2 im unbelasteten Zustand, Fig. 3 shows the detail A in Fig. 2 in the unloaded condition,

die Fig. 4 die Einzelheit E in der Fig. 2 unter Zugbe belastung,the detail E load to FIG. 4 in FIG. 2 under Zugbe,

die Fig. 5 und 6 verschiedene Ausführungsformen der neuartigen Faserstrukturen. FIGS. 5 and 6 different embodiments of the novel fiber structures.

In der Fig. 1 ist der typische Rißverlauf in einem kerami schen Verbundwerkstoff bekannter Art dargestellt. Der Ver bundwerkstoff besteht aus einer Matrix 1 mit darin eingela gertem Verstärkungsmaterial in Form von vorgestreckten faser artigen Strukturen 2, z.B. einer Kunststoff- oder Keramik matrix mit Glas- oder Kohlefasern als Verstärkung. Dabei sind E-Modul und Festigkeitskennwerte des Verstärkungsmateriales gewöhnlich höher als die entsprechenden Werte der Matrix. Der unter einer Zugspannung 4 entstehende Riß 3 startet z.B. an einer Fehlstelle 5 im spröden oder porösen Matrixmaterial unter zunächst beliebigem Winkel zur Belastungsrichtung. Nach einiger Zeit trifft er auf eine sinnvollerweise parallel zur Belastungsrichtung 4 liegende Faser bzw. Struktur 2 und läuft im Rißverlauf 6 an ihr entlang. Da die Faser 2 höher belast bar ist, reißt sie auch im Spannungsfeld des anlaufenden Risses 3 bzw. 6 nicht. Die Faser 2 reißt dann letztlich, wenn der Riß 3 mit dem Spannungsfeld einer Oberflächenschädigung der Faser 2 wechselwirkt. Oberflächenkerben sind umso ge fährlicher, je höher der E-Modul der Faser 2 ist. Die Spannungen verhalten sich dabei wie die E-Moduln.In Fig. 1, the typical crack course in a ceramic ceramic's known type is shown. The composite material consists of a matrix 1 with reinforcing material embedded therein in the form of pre-stretched fiber-like structures 2 , for example a plastic or ceramic matrix with glass or carbon fibers as reinforcement. The modulus of elasticity and strength values of the reinforcing material are usually higher than the corresponding values of the matrix. The crack 3 arising under a tensile stress 4 starts, for example, at a defect 5 in the brittle or porous matrix material at an arbitrary angle to the direction of loading. After a while, it strikes a fiber or structure 2 that is expediently parallel to the direction of loading 4 and runs along it in the course of the crack 6 . Since the fiber 2 can be subjected to higher loads, it does not tear even in the stress field of the crack 3 or 6 that starts. The fiber 2 ultimately breaks when the tear 3 interacts with the stress field of surface damage to the fiber 2 . Surface notches are more dangerous the higher the Young's modulus of fiber 2 . The voltages behave like the E-modules.

An diesem Ausgangspunkt setzt nun die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung erkennt in überraschender Weise, daß Aus dehnungen bzw. Vorsprünge oder Erweiterungen an den Fasern die Rißausbildung unterdrücken bzw. abstoppen.The present invention is based on this starting point at. The invention surprisingly recognizes that Aus strains or protrusions or extensions on the fibers suppress or stop crack formation.

Die Fig. 2 zeigt nun eine entsprechende faserartige Struktur 8 in einer Matrix 7 unter ähnlichen Werkstoffkennwerten wie die in der Fig. 1. Der ähnlich wie in der Fig. 1 anlaufende und an der Faser 8 unter Zug- und Scherspannung 10 hochlaufende Riß 9 trifft an der Stelle A auf eine der Querschnittsverdickungen 11 und stoppt, da seine Spitze 12 in eine Druckzone gerät. Dieser Mechanismus an der Stelle A ist in den Fig. 3 und 4 vergrößert dargestellt, wobei Fig. 3 den Riß-Stop-Mechanis mus im unbelasteten Zustand, die Fig. 4 den Belastungszu stand unter Druckspannungen zeigt. FIG. 2 now shows a corresponding fibrous structure 8 in a matrix 7 with similar material characteristics as that in FIG. 1. The crack 9 that starts similar to that in FIG. 1 and runs up on the fiber 8 under tensile and shear stress 10 at point A on one of the cross-sectional thickenings 11 and stops because its tip 12 gets into a pressure zone. This mechanism at point A is shown enlarged in FIGS. 3 and 4, FIG. 3 showing the tear-stop mechanism in the unloaded state, FIG. 4 showing the load condition under compressive stress.

Bei dem neuartigen Verbundwerkstoff mit partiell verdicktem, faserartigem Verstärkungsstrukturmaterial 8 wird zwischen Matrix 7 und Struktur 8 zur Hemmung der Ausbreitung des Risses 9 entlang einer Grenzfläche der Riß durch Umlenkung entlang einer Ausbuchtung bzw. Querschnittsverdickung 11 der faserartigen Struktur 8 in einen Druckbereich 13 umgeleitet. Die Existenz dieses Druckbereiches 13 basiert auf dem vorher gegangenen Reißen der Matrix 7 zwischen zwei Fasern 8 und dem anschließenden Reißen der Grenzfläche im Verlauf des Risses 9 zwischen Struktur 8 und Matrix 7 innerhalb des Aufreißberei ches 14. Dieser Effekt ist in Fig. 4 durch eine Umkehr der Grenzlinie 15 des Risses 9 dargestellt, die auch als Spannungskurven angesehen werden können. Der Druck auf die Rißspitze 12 ist nun umso stärker, je höher die Belastung ist. Die Struktur bzw. Faser 8 wird an der Stelle der Quer schnittsverdickung 11 aufgrund der dazugekommenen Kerb spannung stärker belastet, sie ist aber ohnehin aufgrund ihrer Materialkennwerte stärker belastbar.In the novel composite material with partially thickened, fibrous reinforcing structure material 8 of the crack 9 is redirected along an interface of the crack by deflection along a bulge or cross-sectional enlargement 11 of the fibrous structure 8 in a pressure area 13 between the matrix 7 and structure 8 to inhibit the spread. The existence of this pressure area 13 is based on the previous tearing of the matrix 7 between two fibers 8 and the subsequent tearing of the interface in the course of the crack 9 between structure 8 and matrix 7 within the tear area 14 . This effect is shown in FIG. 4 by reversing the boundary line 15 of the crack 9 , which can also be viewed as stress curves. The pressure on the crack tip 12 is now stronger, the higher the load. The structure or fiber 8 is more stressed at the point of the cross-sectional thickening 11 due to the added notch stress, but it is more resilient anyway due to its material properties.

In der Fig. 5 sind nun verschiedene Ausführungsformen der faserartigen Struktur dargestellt, wobei a) eine langge streckte Form mit zwei zylindrischen Querschnittsverdickungen 16 jeweils am Ende der Struktur und b) dieselbe mit zwei abgerundeten Verdickungen 17 aufweist. Der Stop-Mechanismus an einer abgerundeten Verdickung 17 ist in Fig. 5c) darge stellt, hier wird die Spitze 18 des Risses 19 im Druckbereich 20 gestoppt, die Struktur weist zwischen ihrem normalen Quer schnitt 21 bei dieser Ausführung hier drei Verdickungen 17 auf. Fig. 5d) zeigt eine Form, bei der zwischen Verdickungen 17 und normalen Querschnitten 21 fließend abgerundete Über gänge vorgesehen sind. Es können beliebig viele Querschnitts verdickungen 11, 16 oder 17 vorhanden sein.In Fig. 5 different embodiments of the fibrous structure are now shown, with a) an elongated shape with two cylindrical cross-section thickenings 16 each at the end of the structure and b) the same with two rounded thickenings 17 . The stop mechanism on a rounded thickening 17 is shown in Fig. 5c) Darge, here the tip 18 of the crack 19 is stopped in the pressure area 20 , the structure has between its normal cross section 21 in this embodiment here three thickenings 17 . Fig. 5d) shows a shape in which smoothly rounded transitions are provided between thickenings 17 and normal cross sections 21 . Any number of cross-sectional thickenings 11 , 16 or 17 can be present.

Die Fig. 6 zeigt eine faserartige Struktur bei der die Querschnittsverdickung bzw. Erhöhung spiralförmig auf der Oberfläche aufgebracht ist. FIG. 6 shows a fibrous structure in which the cross-sectional thickening or elevation is applied spirally to the surface.

Es lassen sich statt langgestreckter Fasern in Keramik auch laminierte Platten beliebiger Dicke verwenden. Dabei hat sich gezeigt, daß sanft ansteigende bzw. abgerundete Kurvenformen vorteilhaft sind, da die Druckbelastung der Matrix und die Zugbelastung der Faser geringer sind. Die Öffnungswinkel für kreisförmig abgerundete Profile sollten größer gleich 45° sein (s. Fig. 5b und 5d), das Verhältnis Kreisradius zum Faserradius betrug in einem berechneten Beispiel 0,25. Der Abstand der Ausbuchtungen voneinander sollte nicht zu klein sein, damit die Kerben nicht miteinander wechselwirken. Der Anpreßdruck, mit dem die Matrix an die Verdickung gedrückt wird, hängt von der Länge der bereits abgelösten Grenzschicht ab, je länger der Grenzflächenriß, umso höher ist der An preßdruck. Die Fasern sollten am besten so angeordnet werden, daß die Ausbuchtungen einander nicht gegenüberliegen. Auf diese Weise wird die Wechselwirkung der Kerben zweier benach barter Fasern verringert.Instead of elongated fibers in ceramic, laminated plates of any thickness can also be used. It has been shown that gently rising or rounded curve shapes are advantageous since the pressure load on the matrix and the tensile load on the fiber are lower. The opening angle for circular rounded profiles should be greater than or equal to 45 ° (see FIGS . 5b and 5d), the ratio of the radius of the circle to the radius of the fiber was 0.25 in a calculated example. The distance between the bulges from one another should not be too small so that the notches do not interact with one another. The contact pressure with which the matrix is pressed against the thickening depends on the length of the boundary layer that has already been detached, the longer the interface crack, the higher the contact pressure. It is best to arrange the fibers so that the bulges do not face each other. In this way, the interaction of the notches of two adjacent fibers is reduced.

Die Querausdehnung der Verdickungen sollte begrenzt sein auf den maximal dreifachen Durchmesser der Faserstrukturen. Die Längsausdehnung der Verdickungen liegt zwischen 1/20 und dem Zehnfachen des Durchmessers der Faserstrukturen. Der Abstand der Verdickungen in Längsrichtung liegt innerhalb 1/10 der Axiallänge der Verdickung und maximal der Länge der Faser struktur, wobei sich dann an deren beiden Enden je eine Ver dickung befinden kann.The transverse extent of the thickenings should be limited to the maximum three times the diameter of the fiber structures. The The longitudinal extent of the thickenings is between 1/20 and Ten times the diameter of the fiber structures. The distance the thickening in the longitudinal direction is within 1/10 of Axial length of the thickening and maximum the length of the fiber structure, with a ver Thickening can be.

Es wird somit ein Verbundwerkstoff, wie z.B. eine Faser keramik, bestehend aus einer Matrix und in diesem eingebette ten Verstärkungsmaterial zur Aufnahme von Zug-, Scher- oder Druckspannung in gestreckter faser- oder plattenartiger Struktur gebildet, bei welcher das Verstärkungsmaterial bzw. die faserartige Struktur 8 mindestens eine lokale Querschnittsverdickung 11 bzw. Erhöhung ihrer Oberflächen aufweist. Es können dabei mehrere faserartige Strukturen 8 in der Matrix 7 vorhanden sein, deren jede mindestens eine lokale Querschnittsver dickung 11 bzw. Erhöhung ihrer Oberfläche aufweist. Das Ver stärkungsmaterial bzw. faserartige Struktur oder Strukturen 8 können mehrere, in Abstand voneinander gelegene Querschnitts verdickungen 11 bzw. Erhöhungen ihrer Oberflächen aufweisen, deren Abstand voneinander in Längsrichtung nicht geringer ist als 1/10 der Axiallänge der Verdickung. Die Verdickungen können in Faserrichtung gesehen sowohl abgerundete Übergänge zu dem oder den engeren Abschnitten 21 oder winkelige Über gänge aufweisen. Das Verstärkungsmaterial 8 kann aus stabför migen Fasern und/oder plattenförmigen Elementen bestehen, welche in Querrichtung mindestens eine der Verdickungen 11, 16 und 17 aufweisen. Die Verdickungen 11 bzw. Erhöhungen ver schiedener faserartiger Strukturen 8 sollten sich einander nicht gegenüberliegen und die Längen der engeren Abschnitte 21 zwischen verschiedenen Erhöhungen 11, 16 und 17 könnten dazu zweckmäßigerweise unterschiedlich groß sein. Das Ver stärkungsmaterial bzw. die faserartige Struktur 8 kann aus demselben keramischen Werkstoff bestehen wie eine keramische Matrix, oder aber auch aus einem anderen Werkstoff herge stellt sein. Mit Stahl armierter Beton ist nicht als Ver bundwerkstoff der in der Beschreibung genannten Art anzu sehen und wird von der Erfindung nicht mitumfaßt:It is thus a composite material, such as a fiber ceramic, consisting of a matrix and embedded in this th reinforcing material for receiving tensile, shear or compressive stress in a stretched fiber or plate-like structure, in which the reinforcing material or the fibrous structure 8 has at least one local cross-sectional thickening 11 or increase in its surfaces. There can be several fiber-like structures 8 in the matrix 7 , each of which has at least one local cross-section thickening 11 or increase in its surface area. The reinforcing material or fiber-like structure or structures 8 can have a plurality of spaced-apart cross-section thickenings 11 or elevations of their surfaces, the spacing of which from one another in the longitudinal direction is not less than 1/10 of the axial length of the thickening. When viewed in the direction of the fibers, the thickenings can have both rounded transitions to the narrower section or sections 21 or angled transitions. The reinforcing material 8 may consist of stab-shaped fibers and / or plate-shaped elements which have at least one of the thickenings 11 , 16 and 17 in the transverse direction. The thickenings 11 or increases ver different fiber-like structures 8 should not be opposite each other and the lengths of the narrower sections 21 between different increases 11 , 16 and 17 could usefully be of different sizes. The reinforcing material or the fibrous structure 8 can be made of the same ceramic material as a ceramic matrix, or it can also be made of a different material. Concrete reinforced with steel is not to be seen as a composite material of the type mentioned in the description and is not included in the invention:

Im Faserverbund haben die Fasern bei niedrigem E-Modulunter schied eine eher "rißteilende" Wirkung. Daraus resultiert eine Zähigkeitserhöhung des Materials, d.h. es wird mehr Energie pro Einheit erzeugter Bruchfläche benötigt. Bei hohen E-Modulunterschieden entlasten die Fasern die Matrix mehr und mehr, d.h. Beton und Stahlarmierung ist kein "echter" Verbundwerkstoff mehr. Seiner Definition nach ist nun Beton ein Gemisch aus Zement und Zuschlagstoffen. Zuschlagstoffe sind dabei alle Sorten von Kies oder zerkleinertem Gestein. Dieser Zuschlag bewirkt die Festigkeitserhöhung des Betons nach dem gleichen Prinzip wie die Fasern in der Keramik. Es wird entweder neue Oberfläche für das Rißwachstum bereitge stellt oder falls die Grenzschicht zu fest ist, der Riß bei Auftreffen auf einen Stein gestoppt. Der Beton ist also kein faserverstärkter, sondern ein partikelverstärkter Werkstoff.In the fiber composite, the fibers have a low modulus of elasticity a more "crack-dividing" effect. This results an increase in the toughness of the material, i.e. it will be more Energy required per unit of fracture area generated. At High differences in modulus of elasticity relieve the fibers of the matrix more and more, i.e. Concrete and steel reinforcement is not a "real" one Composite more. By definition, it is now concrete a mixture of cement and aggregates. Aggregates are all types of gravel or crushed rock. This addition increases the strength of the concrete on the same principle as the fibers in ceramics. It either new surface for crack growth is prepared or if the boundary layer is too tight, the crack Hitting a stone stopped. So the concrete is not fiber-reinforced, but a particle-reinforced material.

Die Stahlarmierung von Beton dient zusätzlich der Entlastung von auf Zug beanspruchten Stellen einer Konstruktion (z.B. die Unterseite der Decke), der Zement bzw. Beton selbst ist natür lich äußerst druckfest. Eine Rißausbreitung entlang der Ar mierung ist angesichts des geringen Volumenanteils des Stahls kein wesentlicher Faktor bei der Zähigkeitsbewertung. Die Ober flächengestaltung des Stahls dient dabei lediglich der Erhöhung der Reibung der Armierung im Beton.The steel reinforcement of concrete also serves as a relief points of a structure that are subject to tension (e.g. the Underside of the ceiling), the cement or concrete itself is natural extremely pressure-resistant. A crack propagation along the ar lubrication is given the low volume fraction of steel not an essential factor in toughness assessment. The waiter surface design of the steel only serves to increase it the friction of the reinforcement in the concrete.

Bei einem Versuch wurde folgender Verbundwerkstoff im Zugver such untersucht:The following composite material was used in the tensile test also examined:

Matrix: Kunstharz ARALDIT ® Typ HY 956
Faser: PVC, der Länge nach eingebettet
Dicke der Probe 2 cm, Breite 6 cm, Länge 20 cm
Faserbreite 1 cm
Zahl der Fasern 2, am Rand der Matrix
Matrixbreite 4 cm
Erhöhung ∼ 1/2 Faserbreite
E_Matrix ∼ 4 GPa, Querkonzentration ν ∼ · 2
E_Faser ∼ 2,5-4 GPa, Querkonzentration ν ∼ · 35
Belastung ∼ 500 kpMatrix: ARALDIT ® resin, type HY 956
Fiber: PVC, embedded lengthways
Sample thickness 2 cm, width 6 cm, length 20 cm
Fiber width 1 cm
Number of fibers 2, at the edge of the matrix
Matrix width 4 cm
Increase ∼ 1/2 fiber width
E _matrix ∼ 4 GPa, transverse concentration ν ∼ · 2
E _fiber ∼ 2.5-4 GPa, cross concentration ν ∼ · 35
Load ∼ 500 kp

Ergebnis: Bei der Belastung begann der Riß von einer Sollbruchstelle ausgehend an der Faser hoch zulaufen und stoppte mit einem Winkel von 45° an der Erhöhung. Das Ergebnis stimmt mit einer theoretischen Vorausberechnung überein. Result: The crack started from one when loaded Predetermined breaking point starting at the fiber high run towards and stopped at an angle of 45 ° at the increase. The result is right with one theoretical prediction.

Bezugszeichenliste: 1 Matrix
2 faserartige Struktur
3 Riß
4 Zugspannung
5 Fehlstelle
6 Rißfortlauf
7 Matrix
8 faserartige Struktur
9 Riß
10 Zugspannung
11 Querschnittsverdickung
12 Rißspitze
13 Druckbereich
14 Aufreißbereich
15 Grenzlinien
16 zylindrische Querschnittsverdickung
17 abgerundete Querschnittsverdickung
18 Spitze
19 Riß
20 Druckbereich
21 Faserquerschnitt bzw. enge AbschnitteReference symbol list: 1 matrix
2 fibrous structure
3 crack
4 tension
5 missing part
6 crack propagation
7 matrix
8 fibrous structure
9 crack
10 tension
11 cross-sectional thickening
12 crack tip
13 printing area
14 tear area
15 border lines
16 cylindrical cross-section thickening
17 rounded cross-section thickening
18 top
19 crack
20 printing area
21 fiber cross-section or narrow sections

Claims

1. Verbundwerkstoff, wie z.B. Faserkeramik, bestehend aus einer Matrix und in dieser eingebettetem Verstärkungs material zur Aufnahme von mechanischen und thermomechanischen Belastungen in gestreckter Struktur, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verstärkungsmaterial bzw. die faser artige Struktur (8) mindestens eine lokale Querschnitts verdickung (11) bzw. Erhöhung ihrer Oberfläche aufweist.1. Composite material, such as fiber ceramic, consisting of a matrix and embedded in this reinforcing material for receiving mechanical and thermomechanical loads in a stretched structure, characterized in that the reinforcing material or the fibrous structure ( 8 ) at least one local cross-section thickening ( 11 ) or increasing their surface.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere faserartige Strukturen (8) in der Matrix (7) enthält, die mindestens eine lokale Querschnittsver dickung (11) bzw. Erhöhung ihrer Oberfläche aufweist.2. Composite material according to claim 1, characterized in that it contains a plurality of fibrous structures ( 8 ) in the matrix ( 7 ) which has at least one local cross-sectional thickening ( 11 ) or increase in its surface area.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial bzw. die faserartige Struktur oder Strukturen (8) mehrere, in Ab stand voneinander gelegene Querschnittsverdickungen (11) bzw. Erhöhungen ihrer Oberfläche aufweisen, deren Abstand voneinander in Längsrichtung nicht geringer ist als 1/10 der Axiallänge der Verdickung (11).3. A composite material according to claim 1 or claim 2, characterized in that the reinforcing material or the fibrous structure or structures ( 8 ) have a plurality of cross-sectional thickened portions ( 11 ) or elevations of their surface, the distance from one another in the longitudinal direction is not is less than 1/10 of the axial length of the thickening ( 11 ).

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Querschnittsverdickungen (16 bzw. 17) vorhanden sind, die jeweils an einem Ende einer faserartigen Struktur (8) gelegen sind. 4. Composite material according to claim 3, characterized in that two cross-sectional thickenings ( 16 and 17 ) are present, which are each located at one end of a fibrous structure ( 8 ).

5. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickungen (17) - in Faser richtung gesehen - abgerundete Übergänge zu dem oder den engeren Abschnitten (21) bzw. Teilen der Verstärkungs materialien aufweisen.5. Composite material according to claims 1 to 4, characterized in that the thickenings ( 17 ) - seen in the fiber direction - have rounded transitions to the narrower sections or ( 21 ) or parts of the reinforcing materials.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdickungen (16) - in Faserrichtung ge sehen - winkelige Übergänge zu dem oder den engeren Ab schnitten (21) bzw. Teilen der Verstärkungsmaterialien aufweisen.6. Composite material according to claim 1 to 4, characterized in that the thickenings ( 16 ) - see ge in the fiber direction - have angular transitions to the or the narrower sections ( 21 ) or parts of the reinforcing materials.

7. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial (8) aus stab förmigen Fasern und/oder plattenförmigen Elementen be steht, welche in Querrichtung mindestens eine Verdickung (11, 16 und 17) aufweisen.7. Composite material according to claims 1 to 6, characterized in that the reinforcing material ( 8 ) consists of rod-shaped fibers and / or plate-shaped elements which have at least one thickening ( 11 , 16 and 17 ) in the transverse direction.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdickungen (11) bzw. Erhöhungen ver schiedener faserartiger Strukturen (8) sich einander nicht gegenüberliegen.8. Composite material according to claim 2 to 7, characterized in that the thickenings ( 11 ) or increases ver different fiber-like structures ( 8 ) are not opposite each other.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längen der Abschnitte (21) reduzierter Faserdicke zwi schen verschiedenen Erhöhungen (11, 16 und 17) bzw. Ver dickungen der faserartigen Strukturen unterschiedlich groß sind.9. Composite material according to claim 2 to 7, characterized in that the lengths of the sections ( 21 ) of reduced fiber thickness between rule's various increases ( 11 , 16 and 17 ) or Ver thicknesses of the fiber-like structures are different.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Querausdehnung der Querschnittsver dickung (11, 16, 17) kleiner gleich dem dreifachen Durchmesser (21) der faserartigen Struktur (8) ist. 10. Composite material according to claim 1 to 9, characterized in that the transverse extent of the cross-sectional thickness ( 11 , 16 , 17 ) is less than or equal to three times the diameter ( 21 ) of the fibrous structure ( 8 ).

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längsausdehnung der Querschnittsver dickung (11, 16, 17) zwischen 1/20 und dem Zehnfachen des Durchmessers (21) der faserartigen Struktur (8) ist.11. Composite material according to claim 1 to 10, characterized in that the longitudinal extent of the cross-sectional thickness ( 11 , 16 , 17 ) is between 1/20 and ten times the diameter ( 21 ) of the fibrous structure ( 8 ).

12. Verbundwerkstoff mit einer keramischen Matrix nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver stärkungsmaterial bzw. die faserartige Struktur (8) aus demselben Werkstoff besteht wie die Matrix (7).12. A composite material with a ceramic matrix according to claim 1 to 11, characterized in that the reinforcing material or the fiber-like structure ( 8 ) consists of the same material as the matrix ( 7 ).

13. Verbundwerkstoff mit einer keramischen Matrix nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver stärkungsmaterial bzw. die faserartige Struktur (8) aus einem anderen Werkstoff besteht als die Matrix (7).13. A composite material with a ceramic matrix according to claim 1 to 11, characterized in that the reinforcing material or the fiber-like structure ( 8 ) consists of a different material than the matrix ( 7 ).