Numerische und experimentelle Analyse des Permeations- und Rissverhaltens von Faserkunststoffverbunden mit thermoplastischem Matrixsystem

Beispiel eines Wasserstoff-Tank-Systems in einem Auto (links) und ein geschädigter GFK Prüfkörper (rechts)

Um den vom Menschen verursachten Klimawandel zu begrenzen, ist das Erreichen einer Treibhausgasneutralität in Deutschland bis 2045 essentiell. Wasserstoff nimmt bei dem bevorstehenden technologischen Wandel in fast allen Szenarien eine Schlüsselrolle als vielfältiger und – sofern mit erneuerbaren Energien hergestellt – umweltfreundlicher Energieträger ein. Als Speichermedium zeichnet ihn im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine hohe gravimetrische Energiedichte aus. Dadurch können auch energieintensive Mobilitätsanwendungen klimafreundlich gestaltet und emissionsfrei umgesetzt werden. Soll im Mobilitätssektor die grundsätzliche Systemarchitektur von Fahr- oder Flugzeugen mit grünem Wasserstoff als CO₂-neutralem Energieträger beibehalten werden, müssen Bauräume deutlich effizienter genutzt werden, um die bisherigen Leistungsdaten zu erhalten. Unter den verfügbaren Speichersystemen für Wasserstoff stellen Druckspeicher aufgrund ihres fortgeschrittenen Reifegrades, ihrer einfacheren Handhabung und ihrer vergleichsweise hohen Speicherdichte eine vielversprechende Technologie für mobile Anwendungen dar.

Vor dem Hintergrund der Entwicklung linerloser Wasserstoff-Drucktanks besteht das übergeordnete Ziel des Vorhabens in der qualitativen und quantitativen Analyse des Permeationsverhaltens von endlosverstärkten textilen Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix wie Gelege- und Geflechtverbunden. Die Gaspermeation durch FKV wird vor allem durch Rissnetzwerke begünstigt. Der Einfluss dieser Risse auf die Verbundpermeabilität soll anhand von kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6 untersucht werden. Hierzu werden experimentelle Methoden im Bereich der bildgebenden CT-Analyse sowie die numerische Rissmodellierung mittels Phasenfeldmethode weiterentwickelt und zur Analyse von Rissmustern eingesetzt. In diesem Sinne umfasst der Begriff Rissmuster die Anordnung verschiedener Einzelrisse bis hin zu verzweigten und verbundenen Risspfaden. Es werden Modelle zur Vorhersage, Quantifizierung und Klassifizierung von Rissen entwickelt, validiert und für die zukünftige Permeationsbewertung textiler Architekturen bereitgestellt. Im Weiteren wird in in-situ Permeationsversuchen der Einfluss geöffneter Risse untersucht sowie ein numerisches Permeationsmodell abgeleitet. Es soll ein fundiertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Riss- und Permeationsphänomenen für Verbundwerkstoffe mit textilen Verstärkungsarchitekturen generiert werden, um so die Grundlage für eine erfolgreiche Gestaltung und Auslegung von linerlosen bauraumeffizienten Drucktanks und -leitungen zu schaffen.