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Erfassung und Bewertung von Grenzschichteffekten in neuartigen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren

  • In der vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil der Verbunde. Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im Nasswickelverfahren gefertigt. Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen. Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben. Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix- Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.

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Metadaten
Author:Patrick Rosso
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47443
ISBN:3-934930-54-9
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (58)
Publisher:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Klaus Friedrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2017/08/10
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/10/10
Date of the Publication (Server):2017/08/14
Number of page:IX, 131
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)