Eine effektive Methode zur Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von
Epoxidharzen ist die Verwendung von homogen dispergierten Nanopartikeln. Es existiert
eine große Vielzahl an Nanopartikeln, die sich hinsichtlich ihrer Form und Größe sowie ihrer
chemischen Zusammensetzung deutlich unterscheiden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es,
speziell den Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten
von Epoxidharz-Nanocompositen zu beschreiben und zu erklären.
Im Speziellen soll der Einfluss der Partikelform, der Partikelgröße und des Aspektverhältnisses
der Nanopartikel untersucht werden. Für diese Untersuchungen wurden sphärische,
stäbchenförmige und plättchenförmige Nanopartikel so ausgewählt, dass diese in ihren geometrischen
Abmessungen und ihrer chemischen Zusammensetzung vergleichbar sind.
Die anspruchsvollen Ziele der vorliegenden Dissertation erfordern die Betrachtung eines
ganzheitlichen interdisziplinären Ansatzes. Dieser umfasst die Auswahl und Oberflächenmodifikation
der Nanopartikel, die Optimierung und Charakterisierung der Dispergierqualität, die
stetige Analyse der Partikelgrößenverteilung sowie die Bestimmung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens
und dessen Interpretation anhand von bruchmechanischen Theorien
und deren Korrelation mit der Partikelgeometrie.
Die Ergebnisse der Arbeit verdeutlichen, dass das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten der
Nanocomposite deutlich von der Partikelgeometrie beeinflusst wird. Durch die Korrelation der
auftretenden bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen mit der Partikelgeometrie und der
Anpassung bruchmechanischer Theorien an die dynamische Rissausbreitung können die
beobachteten Unterschiede im Materialverhalten erklärt werden.
Es zeigt sich, dass die Partikelgröße einen maßgeblichen Einfluss auf die auftretenden
bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen und damit auf das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten
hat. Eine direkte Wechselwirkung der Nanopartikel mit der fortschreitenden Rissfront
tritt auf, sobald die Partikelgröße die Größe der dynamischen Rissspitzenöffnungsverschiebung
überschreitet. Die sehr kleinen nano-SiO2-Partikel können nur durch lokale plastische
Deformation, hervorgerufen durch die Delamination der Nanopartikel und das anschließende
Porenwachstum, zur Steigerung des FCP-Verhaltens beitragen. Die Verbesserung
des Materialverhaltens ist dabei auf die extrem hohe Anzahl an Nanopartikeln und
Delaminationsereignissen an deren Oberflächen zurückzuführen. Nanopartikel, deren Partikelgröße
in einer Dimension die Rissspitzenöffnungsverschiebung überschreitet (z. B. synthetische
Schichtsilikate), führen durch das Auftreten von Rissanhaftung und -ablenkung und
der damit verbundenen Delokalisierung der bruchzähigkeitssteigernden Effekte zu einer effektiveren
Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens. Neben der PartikelgröV
ße kann auch ein deutlicher Einfluss der Partikelform auf das FCP-Verhalten beobachtet
werden, wohingegen der Einfluss des Aspektverhältnisses gering bzw. nicht eindeutig zu
quantifizieren ist.
Aktualisiert: 2022-03-15
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Aufgrund ihres Leichtbaupotentials sind Hochleistungsfaserverbunde ein stark wachsender
Markt. Heute ist je nach Anforderungsprofil der Einsatz einer Vielzahl an
Harzsystemen in der industriellen Anwendung üblich. Für eine weitere Verbreitung
müssen allerdings die Kosten reduziert werden und damit sowohl das Potential dieser
anisotropen Werkstoffe durch ein belastungsgerechtes Design optimal ausgeschöpft,
als auch der Qualifizierungsaufwand reduziert werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch den Ansatz eines modular aufgebauten Epoxidharzsystems
einen Beitrag zu leisten und auf Basis eines Referenzsystems das Potential
unterschiedlicher Ansätze bezüglich der Wirkungsweise von Formulierungsbestandteilen
zur Beschleunigung, zu internen Trennmitteln, zur Zähmodifizierung
und zum Flammschutz bzw. deren Kombinationen aufzuzeigen.
Dazu wurden neuartige und kommerziell nicht verfügbare Epoxidharzformulierungen
dargestellt, die Rezepturen entsprechend systematisch variiert und Zusammenhänge
zwischen der Struktur der eingesetzten Formulierungskomponenten, den Verarbeitungsparametern
und den Materialeigenschaften erarbeitet.
So lässt sich durch eine geeignete Kombination aus Beschleuniger, -konzentration
und Werkzeugtemperatur die offene Zeit je nach Bauteil anpassen ohne die Basischemikalien
des Systems zu verändern.
Es wurde ein Prüfstand aufgebaut, der es erlaubt interne Trennmittel vergleichend zu
untersuchen und ein gut funktionierendes Trennmittel wurde indentifiziert.
Aus unterschiedlichen Ansätzen zur Zähmodifikation des Injektionssystems zeigten
Kern-Schale-Teilchen und Dendrimere die effektivste Steigerung der Zähigkeit.
Bei den Formulierungen zum Flammschutz ergibt sich vor allem eine Korrelation zwischen
der Additivkonzentration und der Netzwerkdichte. Eine Verbesserung bzgl. der
Entflammbarkeit konnte nachgewiesen werden, allerdings liegen die Rezepturen an
der Grenze einer industriellen Verarbeitbarkeit. Mit flüssigen Flammschutzmitteln
wurde ein nachvernetzender Effekt gefunden, der zu einer Steigerung der Glasübergangstemperatur
führt.
Mit Formulierungen, die eine Kombination aus Flammschutzmittel und Zähmodifikation
enthalten, lassen sich zwar gute mechanische Eigenschaften darstellen, eine industrielle
Verarbeitung in LCM-Prozessen ist jedoch nicht denkbar.
Diese Arbeit zeigt, dass sich bei geeigneter Formulierung auf einer chemischen Basis
maßgeschneidert unterschiedliche Eigenschaften einstellen lassen.
Aktualisiert: 2021-08-24
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