Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Within the last decades, a remarkable development in materials science took place -- nowadays, materials are not only constructed for the use of inert structures but rather designed for certain predefined functions. This innovation was accompanied with the appearance of smart materials with reliable recognition, discrimination and capability of action as well as reaction. Even though ferroelectric materials serve smartly in real applications, they also possess several restrictions at high performance usage. The behavior of these materials is almost linear under the action of low electric fields or low mechanical stresses, but exhibits strong non-linear response under high electric fields or mechanical stresses. High electromechanical loading conditions result in a change of the spontaneous polarization direction with respect to individual domains, which is commonly referred to as domain switching. The aim of the present work is to develop a three-dimensional coupled finite element model, to study the rate-independent and rate-dependent behavior of piezoelectric materials including domain switching based on a micromechanical approach. The proposed model is first elaborated within a two-dimensional finite element setting for piezoelectric materials. Subsequently, the developed two-dimensional model is extended to the three-dimensional case. This work starts with developing a micromechanical model for ferroelectric materials. Ferroelectric materials exhibit ferroelectric domain switching, which refers to the reorientation of domains and occurs under purely electrical loading. For the simulation, a bulk piezoceramic material is considered and each grain is represented by one finite element. In reality, the grains in the bulk ceramics material are randomly oriented. This property is taken into account by applying random orientation as well as uniform distribution for individual elements. Poly-crystalline ferroelectric materials at un-poled virgin state can consequently be characterized by randomly oriented polarization vectors. Energy reduction of individual domains is adopted as a criterion for the initiation of domain switching processes. The macroscopic response of the bulk material is predicted by classical volume-averaging techniques. In general, domain switching does not only depend on external loads but also on neighboring grains, which is commonly denoted as the grain boundary effect. These effects are incorporated into the developed framework via a phenomenologically motivated probabilistic approach by relating the actual energy level to a critical energy level. Subsequently, the order of the chosen polynomial function is optimized so that simulations nicely match measured data. A rate-dependent polarization framework is proposed, which is applied to cyclic electrical loading at various frequencies. The reduction in free energy of a grain is used as a criterion for the onset of the domain switching processes. Nucleation in new grains and propagation of the domain walls during domain switching is modeled by a linear kinetics theory. The simulated results show that for increasing loading frequency the macroscopic coercive field is also increasing and the remanent polarization increases at lower loading amplitudes. The second part of this work is focused on ferroelastic domain switching, which refers to the reorientation of domains under purely mechanical loading. Under sufficiently high mechanical loading, however, the strain directions within single domains reorient with respect to the applied loading direction. The reduction in free energy of a grain is used as a criterion for the domain switching process. The macroscopic response of the bulk material is computed for the hysteresis curve (stress vs strain) whereby uni-axial and quasi-static loading conditions are applied on the bulk material specimen. Grain boundary effects are addressed by incorporating the developed probabilistic approach into this framework and the order of the polynomial function is optimized so that simulations match measured data. Rate dependent domain switching effects are captured for various frequencies and mechanical loading amplitudes by means of the developed volume fraction concept which relates the particular time interval to the switching portion. The final part of this work deals with ferroelectric and ferroelastic domain switching and refers to the reorientation of domains under coupled electromechanical loading. If this free energy for combined electromechanical loading exceeds the critical energy barrier elements are allowed to switch. Firstly, hysteresis and butterfly curves under purely electrical loading are discussed. Secondly, additional mechanical loads in axial and lateral directions are applied to the specimen. The simulated results show that an increasing compressive stress results in enlarged domain switching ranges and that the hysteresis and butterfly curves flatten at higher mechanical loading levels.
This thesis aims at an overall improvement of the diffusion coefficient predictions. For this reason the theoretical determination of diffusion, viscosity, and thermodynamics in liquid systems is discussed. Furthermore, the experimental determination of diffusion coefficients is also part of this work. All investigations presented are carried out for organic binary liquid mixtures. Diffusion coefficient data of 9 highly nonideal binary mixtures are reported over the whole concentration range at various temperatures, (25, 30, and 35) °C. All mixtures investigated in a Taylor dispersion apparatus consist of an alcohol (ethanol, 1-propanol, or 1-butanol) dissolved in hexane, cyclohexane, carbon tetrachloride, or toluene. The uncertainty of the reported data is estimated to be within 310-11 m2s-1. To compute the thermodynamic correction factor an excess Gibbs energy model is required. Therefore, the applicability of COSMOSPACE to binary VLE predictions is thoroughly investigated. For this purpose a new method is developed to determine the required molecular parameters such as segment types, areas, volumes, and interaction parameters. So-called sigma profiles form the basis of this approach which describe the screening charge densities appearing on a molecule’s surface. To improve the prediction results a constrained two-parameter fitting strategy is also developed. These approaches are crucial to guarantee the physical significance of the segment parameters. Finally, the prediction quality of this approach is compared to the findings of the Wilson model, UNIQUAC, and the a priori predictive method COSMO-RS for a broad range of thermodynamic situations. The results show that COSMOSPACE yields results of similar quality compared to the Wilson model, while both perform much better than UNIQUAC and COSMO-RS. Since viscosity influences also the diffusion process, a new mixture viscosity model has been developed on the basis of Eyring’s absolute reaction rate theory. The nonidealities of the mixture are accounted for with the thermodynamically consistent COSMOSPACE approach. The required model and component parameters are derived from sigma-profiles, which form the basis of the a priori predictive method COSMO-RS. To improve the model performance two segment parameters are determined from a least-squares analysis to experimental viscosity data, whereas a constraint optimisation procedure is applied. In this way the parameters retain their physical meaning. Finally, the viscosity calculations of this approach are compared to the findings of the Eyring-UNIQUAC model for a broad range of chemical mixtures. These results show that the new Eyring-COSMOSPACE approach is superior to the frequently employed Eyring-UNIQUAC method. Finally, on the basis of Eyring’s absolute reaction rate theory a new model for the Maxwell-Stefan diffusivity has been developed. This model, an extension of the Vignes equation, describes the concentration dependence of the diffusion coefficient in terms of the diffusivities at infinite dilution and an additional excess Gibbs energy contribution. This energy part allows the explicit consideration of thermodynamic nonidealities within the modelling of this transport property. If the same set of interaction parameters, which has been derived from VLE data, is applied for this part and for the thermodynamic correction, a theoretically sound modelling of VLE and diffusion can be achieved. The influence of viscosity and thermodynamics on the model accuracy is thoroughly investigated. For this purpose diffusivities of 85 binary mixtures consisting of alkanes, cycloalkanes, halogenated alkanes, aromatics, ketones, and alcohols are computed. The average relative deviation between experimental data and computed values is approximately 8 % depending on the choice of the gE-model. These results indicate that this model is superior to some widely used methods. In summary, it can be said that the new approach facilitates the prediction of diffusion coefficients. The final equation is mathematically simple, universally applicable, and the prediction quality is as good as other models recently developed without having to worry about additional parameters, like pure component physical property data, self diffusion coefficients, or mixture viscosities. In contrast to many other models, the influence of the mixture viscosity can be omitted. Though a viscosity model is not required in the prediction of diffusion coefficients with the new equation, the models presented in this work allow a consistent modelling approach of diffusion, viscosity, and thermodynamics in liquid systems.
The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of
the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more
and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were
formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites
so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties
with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of
integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites
and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials.
Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of
thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a
diameter of 300nm).
In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a
series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite,
PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated.
The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were
examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact
pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition
of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact
temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning
electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the
worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs
was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular,
this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially
in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions
of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribological
performance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes
to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a
transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles
can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials.
The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found
in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found
that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6
composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and
graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious
enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature
resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme
sliding conditions.
A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the
wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a
better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible.
The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions.
Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the
study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction
and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased
models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental
data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online
monitoring and prediction of wear progress in practical applications.
Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen
entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von
Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe
immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen
Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe
so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften
durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel
dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter
Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand
aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens
zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung
des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer
Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm).
Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern
(SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen
und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren.
Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur
wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem
Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte
Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur
herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen
durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver
Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu
einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen,
speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte
die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde
die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung
des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden
kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die
Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln
kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen.
Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen
von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten
und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei
zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von
Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit
von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI)
insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt,
um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten
Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere
Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen.
Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen
erklärt.
Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu
einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungs und Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische)
Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden
Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber
hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's
besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online-
Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.
Fliehkraftbedingte Aufweitungen und Verzerrungen der nur wenige Mikrometer großen Lagerspalte sowie strömungsdynamische Instabilitäten wie der des Halbfrequenzwirbels sind heutige physikalische Grenzen gasgeschmierter Lagerungen für hohe Drehfrequenzen. Neben der Entwicklung neuartiger, inhomogener Materialien wie zum Beispiel Verbunde, sind Verkleinerungen der Flugkreise aktuelle Lösungsstrategien dieser Problematiken. Die Entwicklung, Realisierung und experimentelle Untersuchung eines hochfrequenten Lagersystems konventioneller Baugröße, unter Verwendung ordinärer, homogener Materialien ist Ziel vorliegender Arbeit. Die Ausarbeitung einer Idee für drehfrequenzunabhängige fliehkraftinvariante Lagerspalte überführt die Problematik der Fliehkraftaufweitung zur alleinigen Grenze der maximal verträglichen Spannung des Rotormaterials unter Fliehkraft. Sowohl die Größe als auch die Kreuzkoppelungen von Kreiselmomenten, die in einer der Störung unterschiedlichen Richtung ihrer Antworten resultieren, sind durch isotrope Gesamtauslegung der Lagerspaltcharakteristika und der Rotorträgheitsmomente auf das mögliche Minimum zu reduzieren. Hierfür sollen sich Lagerkräfte um den isotropen Mittelpunkt, der auch gleichzeitig der Massenmittelpunkt des Rotors darstellt, gegeneinander auslöschen. Analytische Untersuchungen der resultierenden Eigenfrequenzen des Lagersystems gaben Rückschlüsse auf mögliche, eigenfrequenzgebundene Instabilitäten über dem Drehfrequenzbereich. Durch eine vorgeschaltete Steifigkeit vor das Lagersystem konnten diese Eigenfrequenzen derart nach oben transformiert werden, daß solche Instabilitäten auszuschließen sind. Da als dynamisch arbeitendes, gasgeschmiertes Lager konzipiert wurde, bis zum Erreichen der Levitationsdrehfrequenz, eine statisch arbeitende, gasgeschmierte Anlaufhilfe in das dynamisch arbeitende System integriert. Zur Erfassung der Rotorlage und –dynamik im Betrieb wurde ein optischer „low-cost“ Sensor mit der der Optik eines handelsüblichen CD-Roms entwickelt. Mit fünf dieser Sensoren und einer eigens hierfür entwickelten Auswerteelektronik konnte die Rotordynamik bis zu einer Drehfrequenz von 3 kHz und mit bis zu 90.000 Signalen pro Sekunde sicher erfaßt werden. Die entwickelte Software war, in Verbindung mit den gelieferten Abstandsinformationen der digitalen Meßwertelektronik, in der Lage das System nach Parametrierung autonom so zu steuern und zu regeln, daß der vorgegebene Nennlagerspalt und die vorgegebene Drehfrequenz stets eingehalten werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse spiegelten eindeutig die analytisch verfolgten Ziele der fliehkraftinvarianten, isotropen und eigenfrequenzoptimierten Gestaltung wieder und bilden in analytischer Auslegung, rotordynamischer Behandlung und Eigenfrequenzbeeinflussung neue Grundlagen für hochfrequent drehende, gasgeschmierte Lagersysteme, die zum Teil auch auf Wälzlagerungen übertragbar sind.
Carbon-fibre reinforced plastics have been widely used in the aerospace industry as
materials for structural components. During recent years, the focus has been on
preform/RTM materials with the aim of improving material properties and reducing
costs. Harnessing the full potential of these materials requires a model for assessing
the properties and in particular long-term behaviour. Such a model needs to take into
account the special conditions of these materials. Basic failure mechanisms have to
be analysed in order to develop this kind of model.
Consequently, the aim of the work was to investigate the fatigue phenomenon in
preform-CFRP materials with thermoset matrices on a microstructural level. The
influence of the dynamic loading and the temperature on the emerging fracture
phenomena should be identified. Based on the results, a common fracture mechanism
should be found. The failure should be described on a mesoscopic level so that
it is not restricted on the fatigue failure at a single crack front.
To achieve this aim, different preform materials with EP matrix (some of which had
been subjected to impact) were loaded with dynamic compression load and high
frequent alternate bending. The fatigue behaviour of the matrix systems was investigated
by CT tests.
By means of microfractography, the only method for detecting fatigue failure as such,
the failure mechanisms were analysed at submicroscopic level. The results showed
correlations between microstructure and failure.
It became apparent that what in the technical literature has been given as an explanation
for the appearance of the fatigue striations in the scanning electron microscope
had to be corrected. As undercuts are not reflected in the SEM as dark striations,
the appearance of the striations must be based on different inclinations of the
local fractured surface to the primary electron beam.
On the basis of this result the shape and the formation of the fatigue striations could
be shown in resin pockets and fibre imprints. Fatigue striations have a shape which
sticks out from the fracture plane, preferably in the form of steps.
There was no proof for an influence of the high frequent load on the formation of
fatigue striations. However, it was possible to find lamellar fracture phenomena which
have not been described in the technical literature yet. Due to their shape and their occurrence these can be understood rather as a sign of a dynamic load then as a
fracture phenomenon of a high frequent cyclic loading.
The examinations of the high frequent loaded samples, where temperatures up to
120°C occurred, as well as in the CT tests with elevated temperatures (60% Tg)
yielded no proof that the temperature has an influence on the mechanical failure
behaviour. However, the formation of the fatigue striations in high frequent loaded
specimens leads to the deduction that adiabatic heating exists at the crack tip which
leads to large plastic deformations because the glass transition temperature is exceeded
locally.
The microfractographic investigations showed that the fatigue striations appear as
separate static fractures. On account of their shape and in relation to the matching
fracture surfaces plastic processes can be held responsible for the formation of the
striations. Altogether this leads to a modification of the models for the origin of fatigue
striations prevalent in the technical literature. The suggested model associates the
real fracture growth under fatigue loading only with a small part of the loading cycle.
Crack propagation only occurs when the maximum stress intensity is reached in the
area of the upper loading of the cycle. Microplastic processes by molecular rearrangement
in the stress field ahead of the crack tip lead to the blunting of the crack
tip, which is reflected as fatigue striations on the fracture surface. Simultaneously, the
cyclic loading causes damages in the molecular network of the thermoset. This leads
to the possibility of fracture formation below the static stress at break.
On the basis of the model and of fatigue crack growth diagrams it is possible to
establish thresholds for the stress intensity necessary for crack propagation under
cyclic load. The upper threshold of the stress intensity corresponds to KC, because it
marks the transition to unstable crack growth. The lower threshold is determined by
the value of the cyclic stress intensity factor where crack growth has just ceased to
be ascertainable.
With the existing model of local crack growth under fatigue loading and the results of
the chronological course of failure from the microfractographic investigations of the
different materials it was possible to detect a general failure mechanism for the
preform-CFRP materials.
When an external alternating load is applied, an inhomogeneous stress field forms in
the composite material. In areas stressed within the growth stress, fatigue growth occurs in the form of secondary fractures within the matrix. The primary crack front
runs along these damaged points in the material until global failure occurs. This leads
to a discontinuous, stepwise failure expiration under fatigue loading. This general
mechanism permits assessment of the damage behaviour and the progression of
failure in various types of fibre reinforcement.
The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate
nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted
in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and
thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate
nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the
nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their
structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related
aspects were addressed.
For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and
non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile
butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the
nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains
within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures.
Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead
of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was
significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in
rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay
observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an
indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the
silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its
participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary
amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the
deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected
for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing
(as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism
differs from that of the sulfur curing.
The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the
properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different
nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the
rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates
with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites
were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations)
developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken
into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the
silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or
their orientation in the rubber matrix (order parameter).
Im Rahmen dieser wurden neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten untersucht. Prozesskombinationen aus Faserbündelimprägnierung und Wickeltechnik wurden in der Vergangenheit weitestgehend vernachlässigt, aufgrund der technisch schon sehr anspruchsvollen Imprägnierung einer großen Anzahl von Fasern mit einer hochviskosen Thermoplastschmelze. In jüngerer Vergangenheit wurde jedoch eine neue Technologie entwickelt, die sogenannte Imprägnierrad-Technologie, die eine hochwertige Schmelzeimprägnierung von Faserrovings ermöglicht. Aufgrund der beachtlichen Imprägniergeschwindigkeit und der spezifischen Charakteristika des Prozesses, bot sich die Technologie für eine Prozesskombination mit der Wickeltechnik an. Nach Auslegung und Umsetzung des Entwurfs der Anlagentechnik, wurden umfassende Parameterstudien durchgeführt. Glasfaserverstärkte Polypropylen- und Polyamid 12-Rohrabschnitte wurden mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/min hergestellt. Die gegenwärtige Begrenzung der Prozessgeschwindigkeit ist nicht durch die Imprägniergüte bedingt, sondern durch den übermäßigen Anstieg der Kräfte, die benötigt werden, um das Faserbündel von den Imprägnierwerkzeugen abzuziehen. Anlagentechnische Maßnahmen zur Entschärfung dieser Problematik und zur allgemeinen Verbesserung, sowie der damit verbundenen Steigerung der Produktivität wurden vorgeschlagen. Die Wirtschaftlichkeit der Prozesskombination wurde auf Basis einer Kostenvergleichsrechnung bewertet. Die einzigartige Möglichkeit mit einer Prozesskombination den Faservolumengehalt in radialer Richtung in einem Bauteil zu variieren wurde gezeigt. Rollformen als Verfahren zur Herstellung von Profilen mit einer großen Vielfalt von Querschnittsgeometrien aus Metallblechen hat aufgrund seiner hohen Produktivität weite Verbreitung in einer Vielzahl von Industriezweigen gefunden. Durch die Adaption dieses Verfahrens zur Verarbeitung von kontinuierlich verstärkten, thermoplastischen Faserkunststoffverbunden können lange Komponenten, die all die Vorteile dieser Materialien besitzen, auf eine effiziente Art und Weise gefertigt werden. Gewebeverstärkte GF/PP- und GF/PA66-Plattenhalbzeuge wurden erfolgreich zu Hutprofilen umgeformt, mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min. Die Fähigkeit teilkristalline Thermoplaste im Zustand einer unterkühlten Schmelze bei Tem-peraturen unter der Schmelztemperatur umzuformen wurde im Prozess gezielt ausgenutzt. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Werkzeugdesign gewidmet, um dem Umformverhalten kontinuierlich verstärkter Thermoplaste Rechnung zu tragen. Die Qualität der Profile wurde maßgeblich von der Zustelltemperatur der Halbzeuge in den ersten Rollenstand sowie der Austrittstemperatur aus dem Prozess beeinflusst. Das Temperaturprofil des Materials während der Verarbeitung und das Prozesslayout müssen als Funktion von Verarbeitungsgeschwindigkeit und Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden, um Profile hoher Qualität herzustellen. Die Komplexität und die Schwierigkeiten eines theoretischen Ansatzes zur Beschreibung des Prozesses wurden angesprochen, aber auch auf die Notwendigkeit eines solchen zur Weiterentwicklung des Verfahrens wurde hingewiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einfaches FE-Modell zur Simulation des Stempelumformens eines Organoblechs zu einem Hutprofil entwickelt. Trotz des unterschiedlichen Formgebungsprozesses konnten einige allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden, die auch für den Rollformprozess von Bedeutung sind. Einige anlagentechnische Maßnahmen zur Steigerung der Produktqualität im Rah-men zukünftiger Arbeiten wurden vorgeschlagen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten
Polytetraßuorethylen-basierender Verbundwerkstoffe (PTFE) bezogen auf eine Anwendung
als tribologisch beanspruchte Maschinenelemente im Temperaturbereich
zwischen Raumtemperatur und Temperaturen in kryogenen Medien. Dieser Temperaturbereich
ist relevant für eine Reihe neuer, innovativer Technologien, allen voran die
Wasserstofftechnologie als Alternative zu fossilen Energieträgern.
Der Ausgangspunkt dieser Arbeit ist eine auf bekannten Erfahrungen und entsprechenden
Publikationen aufbauende Werkstoffauswahl. Daher wurde PTFE als Matrixwerkstoff
ausgewählt, da es sich bereits in Tieftemperaturanwendungen bewährt hat.
Zur Verstärkung der PTFE-Matrix wurden ein polymerer Füllstoff, Polyetheretherketon
(PEEK) beziehungsweise ein aromatisches Polyester, und kurze Kohlenstofffasern
ausgewählt. Diese Werkstoffkomponenten wurden zu einer Reihe von Verbundwerkstoffen
mit systematisch variierendem Faser- und Füllstoffgehalt zusammengesetzt.
Der experimentelle Teil beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit tribologischen Untersuchungen
bei Raumtemperatur mit Hilfe einer Eigenbau-Stift-Scheibe-Prüfapparatur.
Als Gegenkörper kommen geschliffene Laufringe aus 100 Cr6 Stahl zum Einsatz.
Alle Verbundwerkstoffe wurden bei Standard-Testbedingungen von 1 m/s, 1 MPa sowie
Raumtemperatur getestet. Einer der verschleißbeständigsten Verbundwerkstoffe
wurde auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Belastungen geprüft. Das Reibungsverhalten
dieser Werkstoffe zeigte sich anders als erwartet, weshalb zusätzliche
Versuche erforderlich waren, um den TransferÞlmbildungsprozess beobachten zu können.
Zur Einordnung der tribologischen Ergebnisse werden auch reines PTFE und
einige lediglich partikelgefüllte PTFE-Compounds hinsichtlich Reibung und Verschleiß
getestet. Weiterhin werden die für tribologische Anwendungen wichtigen mechanischen
und thermischen Werkstoffeigenschaften untersucht.
Im Diskussionsteil werden die Einßüsse der Füllstoffe und Fasern auf die resultierenden
mechanischen, thermischen und tribologischen Werkstoffeigenschaften bewertet.
Die im Rahmen dieser Arbeit beschafften bzw. hergestellten Werkstoffe wurden parallel
an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, BAM, Berlin, tribologischen
Beanspruchungen in verschiedenen kryogenen Medien, insbesondere auch in ßüssigem
Wasserstoff, unterworfen. Auf die dort erarbeiteten Ergebnisse wird ebenfalls kurz
eingegangen.
This thesis deals with the development of thermoplastic polyolefin elastomers using recycled polyolefins and ground tyre rubber (GTR). The disposal of worn tyres and their economic recycling mean a great challenge nowadays. Material recycling is a preferred way in Europa owing to legislative actions and ecological arguments. This first step with worn tyres is already done in this direc-tion as GTR is available in different fractions in guaranteed quality. As the traditional applications of GTR are saturated, there is a great demand for new, value-added products containing GTR. So, the objective of this work was to convert GTR by reac-tive blending with polyolefins into thermoplastic elastomers (TPE) of suitable me-chanical and rheological properties. It has been established that bituminous reclamation of GTR prior to extrusion melt compounding with polyolefins is a promising way of TPE production. By this way the sol-content (acetone soluble fraction) of the GTR increases and the GTR particles can be better incorporated in the corresponding polyolefin matrix. The adhesion be-tween GTR and matrix is given by molecular intermingling in the resulting interphase. GTR particles of various production and mean particle size were involved in this study. As polyolefins recycled low-density polyethylene (LDPE), recycled high-density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP) were selected. First, the opti-mum conditions for the GTR reclamation in bitumen were established (160 °C < T < 180 °C; time ca. 4 hours). Polyolefin based TPEs were produced after GTR reclamation in extrusion compounding. Their mechanical (tensile behaviour, set properties), thermal (dynamic-mechanical thermal analysis, differential scanning calorimetry) and rheological properties (both in low- and high-shear rates ) were determined. The PE-based blends contained an ethylene/propylene/diene (EPDM) rubber as compatibilizer and their composition was as follows: PE/EPDM/GTR:bitumen = 50/25/25:25. The selected TPEs met the most important criterion, i.e. elongation at break > 100 %; compression set < 50%. The LDPE-based TPE (TPE(LDPE)) showed better me-chanical performance compared to the TPE(HDPE). This was assigned to the higher crystallinity of the HDPE. The PP-based blends of the compositions PP/(GTR-bitumen) 50/50 and 25/75, whereby the ratio of GTR/bitumen was 60/40, outperformed those containing non-reclaimed GTR. The related blends showed also a better compatibility with a PP-based commercial thermoplastic dynamic vulcanizate (TDV). Surprisingly, the mean particle size of the GTR, varied between < 0.2 and 0.4-0.7 mm, had a small effect on the mechanical properties, however somewhat larger for the rheological behaviour of the TPEs produced.
Die Erfüllung zukünftiger länderspezifischer Emissionsgrenzwerte rein mittels motorischer Maßnahmen zu realisieren, stößt an die Grenze der Machbarkeit. Aus diesem Grunde bedarf es der Entwicklung neuartiger Abgasnachbehandlungssysteme. Im Falle der dieselmotorbetriebenen Kraftfahrzeuge stellt das SCR-Verfahren eine vielversprechende Technologie dar. Mit dieser katalytischen Abgasnachbehandlungsmethode werden sowohl die Stickoxid- als auch in geringem Maße die Partikelemissionen gemindert. Die Umwandlung der Stickoxide erfolgt durch Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel, das an einem entsprechenden Katalysator die Stickoxide in Stickstoff und Wasser umwandelt. Hauptnachteil dieser SCR-Technologie ist jedoch das Mitführen eines zusätzlichen Betriebsstoffes, der für die selektive Reduktion der Stickoxide als Reduktionsmittel benötigt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedenste potenzielle Reduktionsmittel aufgrund von Literaturstudien wie auch durch unter Praxisbedingungen gewonnenen Erkenntnisse analysiert und bewertet. Hierbei standen insbesondere die Feststoffreduktionsmittel im Vordergrund, da diese chemischen Verbindungen im Vergleich zur derzeit als Referenz geltenden 32,5%igen Harnstoffwasserlösung eine viel höhere massen- wie auch volumenbezogene NH3-Speicherdichte aufweisen (siehe Kapitel 3.1.1). Dieser Punkt ist im Hinblick auf einen späteren Fahrzeugeinsatz und der damit gleichzeitig auferlegten Prämisse der Inspektionsintervallabdeckung von großer Bedeutung. Unter Verwendung dieser sowie der in Kapitel 7 aufgelisteten und geforderten Eigenschaften an das optimale Reduktionsmittel, wurde Ammoniumcarbamat als eine aussichtsreiche Alternative favorisiert. Hierauf gestützt wurde mit der Entwicklung einer speziell für das Reduktionsmittel Ammoniumcarbamat zugeschnittenen Dosierapparatur begonnen. Kernidee dieser Apparatur ist die direkte Sublimation des Ammoniumcarbamats an einer beheizten Stempelfläche. Damit sich keine Wärmebrücke zwischen Heizfläche und Ammoniumcarbamatschüttgut ausbildet, wird der Stempel mit Bohrungen versehen, wodurch das Gasgemisch, bestehend aus NH3 und CO2 in einen definierten Gaspufferraum, abgeleitet wird. Des weiteren wird der Kontakt zur Heizfläche durch einen Vorschubmechanismus gewährleistet. Es wurde zusätzlich untersucht, welchen Einfluss die Anpresskraft des Vorschubmechanismus sowie die Heizflächentemperatur auf die Abdampfrate des Ammoniumcarbamats ausübt. Da das System unter dem Aspekt einer kritischen Drossel dimensioniert wird, können reproduzierbare Reduktionsmittelmassenströme aus dem System entnommen werden. Das Problem der Resublimierung des Ammoniumcarbamats an kalten Stellen wird umgangen, indem das System nach dem Prinzip der Thermophorese rechnerisch ausgelegt wird. Hierdurch wird genau definiert, welche Systembauteile nach Abschalten des Systems als erstes auskühlen. Die kälteste Stelle ist somit die Stelle, an der die Ablagerungen gezielt entstehen und durch dort existierende Heizvorrichtungen beseitigt werden können. Nachdem diese Problematik zufrieden stellend im Laborbetrieb gelöst war, wurde mit der Integration des Sublimierers in den Versuchswagen begonnen. Hierzu war es notwendig, die Ansteuerung und Regelung des Sublimierers mittels eines Programms, welches mit der Steuergerätesoftware ASCET-SD programmiert wurde, zu erstellen. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme des Sublimierers im Fahrzeug, wurden während der Testzyklen sowie der Straßenerprobung folgende wichtige Ergebnisse gewonnen.