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For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix Systems with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
Induktionsschweißen kann sowohl für das Schweißen von thermoplastischen Faser-
Kunststoff-Verbunden als auch für das Verbinden von Metall/Faser-Kunststoff-
Verbunden eingesetzt werden. Nach Betrachtung der Möglichkeiten einer solchen
Verbindung wurde festgestellt, dass die Verbindungsqualität durch die
Oberflächenvorbehandlung des metallischen und des polymeren Fügepartners und
durch die Prozessbedingungen bestimmt wird.
Verschiedene neue Werkzeuge (z.B. spezielle Probenhalterungen, temperierbarer
Anpressstempel, Erwärmungs- und Konsolidierungsrolle) wurden entwickelt und in
die Induktionsschweißanlage zur Herstellung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden
integriert. Topografische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und
Laserprofilometrie zeigen einen großen Einfluss der Vorbehandlungsmethoden auf
die Oberflächenrauhigkeit. Zusätzlich ändert die Vorbehandlung die physikalischen
(Oberflächenenergie) und die chemischen Eigenschaften (Atomkonzentration). Die
Eigenschaften der Verbindungen wurden zuerst anhand von Zugscherprüfungen und
parallel durch Oberflächenanalysen untersucht. Die Ergebnisse dieser
Untersuchungen zeigen:
• Die Vorbehandlungsmethoden Korundstrahlen und Sauerbeizen führen bei
dem metallischen Fügepartner zu den höchsten Verbundfestigkeiten. Die
Atmosphären-Plasmareinigung des polymeren Fügepartners ergibt eine
Zunahme der Zugscherfestigkeit von ca. 10 % sowie auch eine Verkleinerung
des Vertrauensbereiches.
• Die Zugscherfestigkeit hängt vom Prozessdruck und damit vom Fließverhalten
des Polymers in der Fügezone ab.
• Die Orientierung der Prüfkraft relativ zur Faserorientierung hat keinen Einfluss
auf die Zugscherfestigkeit der eingesetzten faserverstärkten Materialien.
• Die Leinwand-Bindung, mit mehr polymerreichen Zonen, führt zu einem
geringen Anstieg der Zugscherfestigkeit im Vergleich zu einer Atlas 1/4-
Bindung. Die Gelege-Struktur ergibt durch Faserverschiebungen ähnliche
Festigkeiten wie die Leinwand-Bindung. Es zeigt sich, dass die
Verbundfestigkeit durch das Polymer bestimmt wird. • Die Zugscherfestigkeit gewinnt einen großen Anstieg durch eine zusätzliche
Polymerfolie in der Fügezone. Die Schliffbilder zeigen eine polymere
Zwischenschichtdicke von 5 bis 20 μm für AlMg3-CF/PA66.
• Durch den gezielten Einsatz verschiedener Vorbehandlungsmethoden
(Korundstrahlen mit zusätzlichem Polymer) kann die Zugscherfestigkeit auf bis
zu 14 MPa für AlMg3-CF/PA66-Verbunde und 18 MPa für DC01-CF/PEEKVerbunde
gegenüber dem unbehandelten Zustand verdoppelt werden. Weitere Untersuchungen an den Prozessparametern ergaben für DC01-CF/PEEKVerbunde,
dass folgende Einstellungen zu einer weiteren Steigerung der
Zugscherfestigkeit auf 19 MPa führen:
• Eine Starttemperatur des Anpresstempels von 370 °C.
• Eine Haltezeit von 7 Minuten.
• Eine Abkühlrate von 6 °C/min.
Für AlMg3-CF/PA66 zeigte sich, dass eine Anpresstemperatur von 10 °C zu einer
Zugscherfestigkeit von 14,5 MPa führt. Diese beiden Zugscherfestigkeiten sind
lediglich 10 – 15 % geringer als die unter optimalen Bedingungen hergestellten
Klebeverbindungen.
Erste Untersuchungen zeigen, dass bei galvanischer Korrosion von Metall/FKVVerbunden
eine schnelle Abnahme der Zugscherfestigkeit erfolgt. Hierfür wurden die
Proben drei Wochen in Wasser gelagert. Beim direkten Kontakt zwischen
Kohlenstofffaser und Aluminium erklärt sich dies durch Korrosion in der Fügezone.
Dabei sinken die Zugscherfestigkeiten der Proben bis auf 5 MPa. Bei Proben mit
einer Glasfaserlage als Isolationsschicht zeigen sich keine Korrosionsprodukte und
die Zugscherfestigkeit nimmt um 30 % bis auf 8 – 9 MPa ab.
Bei in Salzwasser gelagerten Proben ist die galvanische Korrosion deutlich stärker
ausgeprägt. Bereits nach einer Woche besitzen die acetongereinigten Proben mit
zusätzlichem Polymer lediglich eine Restzugscherfestigkeit von 3 bis 4 MPa. Die
korundgestrahlten Proben zeigen Korrosionsprodukte am Rande der Fügezone und
in der Fügezone, weisen aber dennoch eine Zugscherfestigkeit von ca. 10 MPa auf.
Die glasfaserverstärkten Proben zeigen weder Korrosionsprodukte noch eine
Abnahme der Zugscherfestigkeit. Dynamisch thermografische Analysen wurden in verschiedenen Umgebungsgasen
durchgeführt, um die Zersetzungstemperatur des faserverstärkten Polymers zu
bestimmen. Im Falle von CF/PA66 führte dies nicht zu einer Vergrößerung des
Prozessfensters, da die Zersetzung hauptsächlich thermisch und nicht thermooxidativ
ist. Die festgestellte Zersetzungstemperatur von CF/PEEK in Luft betrug
550 °C. Die Vergrößerung des Prozessfensters ist für CF/PA66 gering und zeigte
auch keinen Anstieg in der Zugscherfestigkeit nach dem Schweißen in Stickstoff.
Trotzdem hat das Induktionsschweißen unter Schutzgas ein großes Potential für
gesättigte Kohlenwasserstoffe wie z.B. glasfaserverstärktes Polypropylen. Hier wurde
die Zersetzungstemperatur von 230 °C in Luft auf 390 °C in Stickstoff erhöht.
Es wurde ein Demonstrator bestehend aus einem Aluminium-Profil und einer
CF/PA66-Platte hergestellt, womit gezeigt werden konnte, dass die erworbenen
Kenntnisse auch für die industrielle Anwendung umsetzbar sind. Mittels analytischer
Modelle und FE-Berechnungen wurde die induktive Erwärmung erfolgreich
nachgebildet.
Sewn net-shape preform based composite manufacturing technology is widely
accepted in combination with liquid composite molding technologies for the
manufacturing of fiber reinforced polymer composites. The development of threedimensional
dry fibrous reinforcement structures containing desired fiber orientation
and volume fraction before the resin infusion is based on the predefined preforming
processes. Various preform manufacturing aspects influence the overall composite
manufacturing processes. Sewing technology used for the preform manufacturing
has number of challenges to overcome which includes consistency in preform quality,
composite quality, and composite mechanical properties.
Experimental studies are undertaken to investigate the influence of various sewing
parameters on the preform manufacturing processes, preform quality, and the fiber
reinforced polymer composite quality and properties. Sewing thread, sewing machine
parameters, shortcomings of sewing process, and remedies are explained according
to their importance during preforming and liquid composite molding. The stitches and
fiber free zone in the form of ellipse that are generated in the thickness direction were
investigated by evaluating the laminate micrographs. Correlation between ellipse
formation phenomenon, sewing thread, and sewing machine parameters is
established. A statistical tool, analysis of variance, was used to emphasize the major
preform processing factors influencing the preform imperfections.
For assessing the preform quality, the observations of sewing thread requirements
for preform and structural sewing were well documented during the experimental
studies and explained according to their significance in the composite processing.
Furthermore, selection criteria for sewing thread according to end application are
discussed in detail. Investigations on polyester sewing thread as a high speed
preform manufacturing element are also performed. Applicability of polyester sewing
thread for the preform sewing and challenges to be overcome for its extensive
utilization in the composite components are explained. Apart from this, influence of
physical structure of sewing thread on the laminate quality and properties are
explained and relationship between them is discussed in brief. Furthermore,
challenges caused due to applied spin-finishes and sizing and remedies for the same
are discussed. Sewing threads made of high performance fibers that are available in the market,
e.g., carbon, glass, and Zylon are studied for effect of thread material on through-thethickness
laminate properties. Threads made up of carbon or glass fibers are very
rigid and produces number of defects, which is a major cause of concern. Optimized
sewing procedure has been implemented to minimize the in-plane and through-thethickness
imperfections and to improve mechanical properties and surface
characteristics of composite laminate.
Preform sewing process and final ready to impregnate preforms were analyzed for
quality appearance. The sewing defects and their influence on composite structure
are monitored. Preform compressibility before and after the sewing operations are
intensively studied and correlation with sewing parameters is developed. Influence of
sewing process parameters on the warpage and change in preform area weight are
also explained in detail. Results of analytical experiments can help to improve further
exploitation of sewn preforms for composite manufacturing and overall preform and
laminate quality.
Im Zuge der steigenden Anzahl von Einsatzmöglichkeiten der
Faserverbundwerkstoffe in den verschiedensten Industriebereichen spielt die
Entwicklung bzw. Weiterentwicklung neuer und effektiverer Verarbeitungstechniken
eine bedeutende Rolle.
Dabei findet derzeit das Harzinjektionsverfahren (LCM) ausschließlich für kleinere bis
mittlere Stückzahlen seinen Einsatz. Aufgrund der sehr großen Stückzahlen im
Automobilbereich, ist dieses Verfahren hier zurzeit weniger interessant. Daher
werden große Anstrengungen unternommen, das Harzinjektionsverfahren besonders
für solche Bauteile attraktiver zu machen, die gegenwärtig mit Hilfe des Prepreg-
Verfahrens hergestellt werden. Dabei spielt die Reduktion der hier vergleichsweise
hohen Zykluszeit eine tragende Rolle. Die Dauer eines Zyklus wird hierbei
hauptsächlich durch die Vorbereitung und Herstellung der Verstärkungsstruktur
(Preform) sowie durch die Bestückung des Werkzeuges bestimmt. Diese so
genannte Preform-Technik weist daher ein sehr großes Entwicklungspotential auf,
mit dem Ziel, solche Verstärkungsstrukturen herzustellen, die nach der Injektion
keine Nacharbeit erfordern. Solche Strukturen werden auch als „net shape, ready-toimpregnate“-
Preform bezeichnet. Die hierfür notwendigen Techniken stammen
vornehmend aus der Textilindustrie, wie z.B. die direkte Preformtechnik, das Nähen
oder Kleben (Binder-Technik).
Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Möglichkeiten der Nähtechnik bezogen
auf die Herstellung der Preforms zu untersuchen. Hierfür werden die verschiedenen
Naht- und Verbindungsarten hinsichtlich ihres Einsatzes in der Preformtechnik, wie
die Fixier- und Positionier-, die Füge- oder Verbindungsnaht und die Montagenaht,
untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst innerhalb einer Studie zur „net shape“-
Preformtechnik eine Versteifungsstruktur entwickelt und hergestellt. Diese Struktur
soll dabei der Veranschaulichung der Möglichkeiten und Einsatzbereiche der
Nähtechnik bei der Preformtechnologie dienen. Zudem kann so ein mehrstufiger
Preformherstellungsprozess demonstriert werden. Ferner zeigt diese Studie, dass
ein hochgradiger, automatisierter Prozess, welcher zudem eine durchgängige
Qualitätskontrolle ermöglicht, realisiert werden konnte. Als ein weiterer Schritt wurde ein Prozess zur Herstellung eine dreidimensionalen
Preform, der die Anwendung verschiedener thermoplastischer,
niedrigtemperaturschmelzender Nähgarne zulässt, ausgearbeitet. Hierbei wurden die
Vorteile der Näh- und der Binder-Technologie miteinander verbunden. Außerdem
konnte durch die bereits formstabile und imprägnierungsfertige Preformstruktur, die
Bestückung des Werkzeuges wesentlich vereinfacht werden. Um die mechanischen
Eigenschaften der Preforms bestimmen zu können, wurden quantitative
Messmethoden erarbeitet. Hierdurch konnten anschließend die Einflüsse der
Orientierung sowie der Stichdichte ermittelt werden. Zudem wurden die folgenden
drei grundlegenden Eigenschaften untersucht: die spezifische Biegesteifigkeit, der so
genannte Rückspringwinkel sowie die Rückstellkraft nach dem Thermoformen
hinsichtlich der verschiedenen Nähtypen.
Um dies zu ergänzen, wurden weiterführende Untersuchungen zu den
Materialeigenschaften der Nähfäden, die bei der dreidimensionalen Preformtechnik
eingesetzt werden können, durchgeführt. Dabei ist neben der niedrigen
Schmelztemperatur die vollständige Auflösbarkeit der Nähgarne in den ungesättigten
Polyester- und Epoxidharzen besonders wichtig. Auf Grund dieser vollständigen
Auflösung der Fäden in der Matrix können die Stichlöcher wieder vollkommen
verschlossen werden. Dadurch kann eine Reduktion des Einflusses solcher
Stichlöcher auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes
erreicht werden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen wurden schließlich zwei polymere
Nähgarne als vielversprechend beurteilt. Diese weisen eine Schmelztemperatur von
weniger als 100 °C sowie eine gute Lösbarkeit, besonders im Harzsystem RTM 6,
auf.
In der Preformtechnik werden die Nähte nicht nur als Positionier- oder Montagenaht
eingesetzt, sondern können in einer Struktur als auch als Verstärkungselement, eine
so genannte Verstärkungsnaht, verwendet werden. Der Zweck einer solchen Naht ist
die interlaminare Verstärkung von monolitischen oder Sandwichstrukturen. Zudem
besteht die Möglichkeit, diese zur Fixierung von metallischen Funktionselementen
(Inserts) in den Faserverbundwerkstoff zu benutzen. Hinsichtlich diese Möglichkeiten
wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich Untersuchung durchgeführt. Dabei
wiesen die eingenähten Krafteinleitungselemente in durchgeführten statischen
Zugversuchen eine annähernd 200 % höhere maximale Zugkraft verglichen mit
entsprechenden Elementen (BigHead®), die nicht durch eine Naht fixiert wurden. Weitere Untersuchungen zeigten auch, dass eine doppelte Naht nicht eine
proportionale Verdoppelung der maximal erreichbaren Zugkraft bewirkt. Der Grund
hierfür liegt an einer partiellen Zerstörung des vorhandenen Nähgarns der ersten
Naht begründet durch den doppelten Einstich in die bereits bestehenden Löcher
beim mehrmaligen Durchlaufen der Nadel. Der größte Verstärkungseffekt konnte
schließlich bei der interlaminaren Einbettung und der Vernähung des Insert erreicht
werden. In diesem Fall kann eine Delamination, wie sie bei lediglich interlaminar
eingebetteten Inserts auftritt, verhindert werden.
Zusätzlich wurden statische Scherversuche durchgeführt, um auch in diesem
Belastungsfall die Versagensart zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass nicht
die Nähte sondern der Insert versagte. Auf Grund des Materialbruchs des Inserts,
sowohl in Zug- als auch in Scherversuchen, wurde in einem weiteren Schritt ein
optimiertes Insert entwickelt. Bei diesem wurde der Sockel in soweit modifiziert, dass
die maximale Versagenslast des Nähgarns ermittelt werden konnte. Dabei stellte
sich heraus, dass Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern sich nur bedingt als
Verstärkungsgarn zur Fixierung von Inserts eignen. Im Gegensatz dazu sind die
Polyestergarne als ausreichende Verstärkung gut geeignet. Weitere Vorteile des
Polyestergarns sind die niedrigeren Kosten sowie die gute Vernähbarkeit.
Anschließend wurde eine solche Verbindung des Inserts mit einem
Faserverbundwerkstoff mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert. Dabei
zeigte sich eine gute Übereinstimmung der simulierten Ergebnisse mit denen aus
dem statischen Zugversuch mit dem weiterentwickelten Insert.
Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern, können Fäden aus
diesem Material auch als Sensoren zur Überwachung einer Struktur oder Verbindung
eingesetzt werden. Hierfür wurden ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Dabei
konnte mit Hilfe der Änderung des elektrischen Widerstandes auf Schädigungen der
Fasern geschlossen werden. Somit können nicht nur das Bestehen einer
Schädigung, sondern auch der annähernde Ort ermittelt werden. Die
Untersuchungen zeigten somit, dass die Kohlenstofffasern nicht lediglich als
Verstärkung sondern auch als Überwachungssensor bei einem eingebetteten Insert
dienen können.
Im Rahmen aller Untersuchungen konnte das große und vielversprechende Potential
der Nähtechnik bei der Herstellung von Preform-Bauteilen aufgezeigt sowie ein
Einblick in einige von vielen Anwendungsmöglichkeiten gegeben werden.
The broad engineering applications of polymers and composites have become the
state of the art due to their numerous advantages over metals and alloys, such as
lightweight, easy processing and manufacturing, as well as acceptable mechanical
properties. However, a general deficiency of thermoplastics is their relatively poor
creep resistance, impairing service durability and safety, which is a significant barrier
to further their potential applications. In recent years, polymer nanocomposites have
been increasingly focused as a novel field in materials science. There are still many
scientific questions concerning these materials leading to the optimal property
combinations. The major task of the current work is to study the improved creep
resistance of thermoplastics filled with various nanoparticles and multi-walled carbon
nanotubes.
A systematic study of three different nanocomposite systems by means of
experimental observation and modeling and prediction was carried out. In the first
part, a nanoparticle/PA system was prepared to undergo creep tests under different
stress levels (20, 30, 40 MPa) at various temperatures (23, 50, 80 °C). The aim was
to understand the effect of different nanoparticles on creep performance. 1 vol. % of
300 nm and 21 nm TiO2 nanoparticles and nanoclay was considered. Surface
modified 21 nm TiO2 particles were also investigated. Static tensile tests were
conducted at those temperatures accordingly. It was found that creep resistance was
significantly enhanced to different degrees by the nanoparticles, without sacrificing
static tensile properties. Creep was characterized by isochronous stress-strain curves,
creep rate, and creep compliance under different temperatures and stress levels.
Orientational hardening, as well as thermally and stress activated processes were
briefly introduced to further understanding of the creep mechanisms of these
nanocomposites. The second material system was PP filled with 1 vol. % 300 nm and 21 nm TiO2
nanoparticles, which was used to obtain more information about the effect of particle
size on creep behavior based on another matrix material with much lower Tg. It was
found especially that small nanoparticles could significantly improve creep resistance.
Additionally, creep lifetime under high stress levels was noticeably extended by
smaller nanoparticles. The improvement in creep resistance was attributed to a very
dense network formed by the small particles that effectively restricted the mobility of
polymer chains. Changes in the spherulite morphology and crystallinity in specimens
before and after creep tests confirmed this explanation.
In the third material system, the objective was to explore the creep behavior of PP
reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Short and long aspect ratio nanotubes
with 1 vol. % were used. It was found that nanotubes markedly improved the creep
resistance of the matrix, with reduced creep deformation and rate. In addition, the
creep lifetime of the composites was dramatically extended by 1,000 % at elevated
temperatures. This enhancement contributed to efficient load transfer between
carbon nanotubes and surrounding polymer chains.
Finally, a modeling analysis and prediction of long-term creep behaviors presented a
comprehensive understanding of creep in the materials studied here. Both the
Burgers model and Findley power law were applied to satisfactorily simulate the
experimental data. The parameter analysis based on Burgers model provided an
explanation of structure-to-property relationships. Due to their intrinsic difference, the
power law was more capable of predicting long-term behaviors than Burgers model.
The time-temperature-stress superposition principle was adopted to predict long-term
creep performance based on the short-term experimental data, to make it possible to
forecast the future performance of materials.
In recent years, nanofiller-reinforced polymer composites have attracted considerable
interest from numerous researchers, since they can offer unique mechanical,
electrical, optical and thermal properties compared to the conventional polymer
composites filled with micron-sized particles or short fibers. With this background, the
main objective of the present work was to investigate the various mechanical
properties of polymer matrices filled with different inorganic rigid nanofillers, including
SiOB2B, TiOB2B, AlB2BOB3B and multi-walled carbon nanotubes (MWNT). Further, special
attention was paid to the fracture behaviours of the polymer nanocomposites. The
polymer matrices used in this work contained two types of epoxy resin (cycloaliphatic
and bisphenol-F) and two types of thermoplastic polymer (polyamide 66 and isotactic
polypropylene).
The epoxy-based nanocomposites (filled with nano-SiOB2B) were formed in situ by a
special sol-gel technique supplied by nanoresins AG. Excellent nanoparticle
dispersion was achieved even at rather high particle loading. The almost
homogeneously distributed nanoparticles can improve the elastic modulus and
fracture toughness (characterized by KBICB and GBICB) simultaneously. According to
dynamic mechanical and thermal analysis (DMTA), the nanosilica particles in epoxy
resins possessed considerable "effective volume fraction" in comparison with their
actual volume fraction, due to the presence of the interphase. Moreover, AFM and
high-resolution SEM observations also suggested that the nanosilica particles were
coated with a polymer layer and therefore a core-shell structure of particle-matrix was
expected. Furthermore, based on SEM fractography, several toughening
mechanisms were considered to be responsible for the improvement in toughness,
which included crack deflection, crack pinning/bowing and plastic deformation of
matrix induced by nanoparticles.
The PA66 or iPP-based nanocomposites were fabricated by a conventional meltextrusion
technique. Here, the nanofiller content was set constant as 1 vol.%. Relatively good particle dispersion was found, though some small aggregates still
existed. The elastic modulus of both PA66 and iPP was moderately improved after
incorporation of the nanofillers. The fracture behaviours of these materials were
characterized by an essential work fracture (EWF) approach. In the case of PA66
system, the EWF experiments were carried out over a broad temperature range
(23~120 °C). It was found that the EWF parameters exhibited high temperature
dependence. At most testing temperatures, a small amount of nanoparticles could
produce obvious toughening effects at the cost of reduction in plastic deformation of
the matrix. In light of SEM fractographs and crack opening tip (COD) analysis, the
crack blunting induced by nanoparticles might be the major source of this toughening.
The fracture behaviours of PP filled with MWNTs were investigated over a broad
temperature range (-196~80 °C) in terms of notched impact resistance. It was found
that MWNTs could enhance the notched impact resistance of PP matrix significantly
once the testing temperature was higher than the glass transition temperature (TBgB) of
neat PP. At the relevant temperature range, the longer the MWNTs, the better was
the impact resistance. SEM observation revealed three failure modes of nanotubes:
nanotube bridging, debonding/pullout and fracture. All of them would contribute to
impact toughness to a degree. Moreover, the nanotube fracture was considered as
the major failure mode. In addition, the smaller spherulites induced by the nanotubes
would also benefit toughness.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte eine Prozesstechnologie entwickelt werden,
die das Einsatzgebiet von endlosfaserverstärkten Thermoplasten (Organoblechen)
auf den Bereich von schnellbewegten Getriebebauteilen im Maschinenbau erweitert.
Zum Thermoformen von kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten wurde erstmals
die induktive Erwärmung als Heizquelle eingesetzt. Dies ermöglicht die Erwärmung
des untersuchten Halbzeuges (CF/PA66) an zwei lokal begrenzten Bereichen in weniger
als 30 Sekunden auf Umformtemperatur. Dieser lokale Energieeintrag bietet die
Grundlage für den anschließenden partiellen Thermoformprozess, mit dem Ziel
der gleichzeitigen Umformung mehrerer Formnester auf einem Halbzeug.
Durch Koppelung dieses Verfahren mit einem Werkzeugkonzept zur dickenadaptiven
Umformung war eine Erhöhung der Halbzeugdicke in definierten Bereichen um
bis zu 200 % möglich. In Organobleche mit einer Dicke von 2 mm wurden Lagersitze
mit einer Lagersitzbreite von 6 mm eingeformt, ohne dass Material von außen nachgeführt
oder extern dem Prozess zugeführt werden musste. Auch ein Verfahren zum
Ausformen von Lagersitzen und dem gleichzeitigen Fügen metallischer Lager wurde
realisiert und ein Modell von geometrisch möglichen Lagersitzdimensionen in Abhängigkeit
der Organoblechdicke erstellt.
Die Kombination aus Prozess Neu- und Weiterentwicklungen führt zu einer Prozesskettenverkürzung
mit einer daraus resultierenden Prozesszeiteinsparung von
bis zu 37 % gegenüber dem partiellen Thermoformen, was entscheidend zur Kostensenkung
bei der Herstellung beiträgt.
Die Prozesskette wurde an einem Demonstratorbauteil, einem schnellbewegten Hebel
(Fadenhebel) einer Industrienähmaschine, exemplarisch abgebildet. Dieser Fadenhebel
besitzt zwei metallische Rillenkugellager, die in einem Schritt in ein zuvor
ebenes Halbzeug eingeformt und gefügt wurden. Bei der Bauteilprüfung zeigte sich
neben einer Netto-Gewichtsreduzierung von 50 % gegenüber der bestehenden Aluminiumvariante
eine Reduzierung der Schallemission um bis zu 1 dB(A). Dies ist auf
das hohe Dämpfungsvermögen des thermoplastischen Ausgangsmaterials zurückzuführen, und unterstreicht das große Potenzial dieser Werkstoffklasse in dynamisch
belasteten Bauteilen.