The goal of this thesis is a physically motivated and thermodynamically consistent formulation of higher gradient inelastic material behavior. Thereby, the influence of the material microstructure is incorporated. Next to theoretical aspects, the thesis is complemented with the algorithmic treatment and numerical implementation of the derived model. Hereby, two major inelastic effects will be addressed: on the one hand elasto-plastic processes and on the other hand damage mechanisms, which will both be modeled within a continuum mechanics framework.
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der potentielle Einfluss makroskopischer Oberflächentopographieunterschiede auf die Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminiumverbunde untersucht. Fokussiert wurde hierbei auf die durch Vorbehandlungsverfahren induzierte Veränderung technischer Rauhigkeitsgrade sowie die damit einhergehende Vergrößerung der adhäsiv wirksamen Oberfläche. Die Trennung der sich infolge der eingesetzten Vorbehandlungsverfahren überlagernden Einflussfaktoren Oberflächentopographie und Oberflächenchemie konnte durch die Generierung unterschiedlicher Rauheitsgrade bei gleichzeitiger Nivellierung der chemischen Oberflächenzustände sichergestellt werden. Erreicht wurde dies durch einen chemisch einheitlichen, die Haftgrundvorbereitung abschließenden Nachbehandlungsprozess. Ein signifikanter Einfluss der im µm-Bereich detektierten, makroskopischen Topographieunterschiede auf die technischen Eigenschaften adhäsiv gefügter Aluminium-Epoxidharzverbunde kann ausgeschlossen werden. Die Resultate der Untersuchungen zur Wirkungsweise der durch Alterungssimulationen induzierten Schädigungsmechanismen zeigten, dass für eine sinnvolle Beurteilung der Langzeitbeständigkeit unterschiedlich vorbehandelter Aluminium-Epoxidharz-Klebungen die Anwendung einzelner, standardisierter Alterungstests oftmals nicht ausreicht. Die Auswirkungen der simulierten Alterungsprozesse auf die technischen Eigenschaften der geklebten Aluminiumverbunde sind sowohl abhängig von der Art, Dauer und Intensität der dominierenden Schädigungsmechanismen, als auch von den durch die jeweilige Vorbehandlung generierten Zuständen der Substratoberflächen. Die jeweilige Haftgrundvorbereitung hat somit einen erheblichen Einfluss auf die Sensitivität der Klebung gegenüber unterschiedlichen Alterungsprozessen. Die phänomenologischen Betrachtungen in Form der durchgeführten Festigkeitsuntersuchungen deuten an, dass die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung weder von der Art des Epoxidharzsystems, noch von den Spezifikationen der im Rahmen dieser Untersuchungen verwendeten Aluminiumlegierungen maßgeblich abhängt. Die Sensitivität dieser Klebungen, insbesondere gegenüber korrosiven Schädigungsmechanismen, wird von den durch die Haftgrundvorbereitung generierten Oberflächenzuständen dominiert. Die Ergebnisse der parallel durchgeführten oberflächenanalytischen Untersuchungen lieferten zur Erklärung der phänomenologischen Resultate ein weitgehend uneinheitliches Bild. Lediglich anhand der Analysen zur submikroskopischen Morphologie unterschiedlich vorbehandelter Fügeteiloberflächen konnte eine Korrelation mit den phänomenologischen Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminium-Epoxidharz-Verbunde in korrosiven Medien hergestellt werden. Die daraus abgeleitete Hypothese hinsichtlich eines signifikanten Einflusses der "Nanomorphologie" von Fügeteiloberflächen auf die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung wurde durch zusätzliche Untersuchungen überprüft und bekräftigt. Hierbei erwies sich der entwickelte beschleunigte Korrosionstest als durchaus nützlich, da die unterschiedlich vorbehandelten Klebungen im Vergleich zu dem wesentlich zeitintensiveren Salzsprühtest innerhalb relativ kurzer Zeit phänomenologisch vergleichbare Schadensbilder aufweisen. Das aus den vorliegenden Untersuchungen abgeleitete Erkärungsmodell baut auf der Theorie der oberflächengesteuerten, grenzschichtnahen Polymerbeeinflussung auf. Dieses Postulat der sich in Abhängigkeit des chemischen Oberflächenzustandes verändernden Polymerisationsgrade in der Interphase zwischen Festkörperoberfläche und Klebstoff wird erweitert um den Einfluss sogenannter Nanomorphologien, also einer in submikroskopischen Dimensionen vorliegenden Feinstrukturierung der Fügeteiloberfläche. Eine durch Festkörperoberflächen induzierte selektive Adsorption von Klebstoffbestandteilen, die Entstehung schwacher Polymerzonen (weak boundary layers) oder andere potentielle Heterogenitäten innerhalb der Adhäsionszone werden somit in Richtung Substratbulk verschoben. Anstatt einer scharf ausgeprägten Phasengrenze zwischen Polymer und Substratoberfläche entsteht somit eine Grenzzone, die aufgrund ihrer fein verteilten Zusammensetzung aus Oxid und Klebstoff zusätzlich Verbundwerkstoffeigenschaften aufweisen kann. Die Frage nach dem aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht höchsten Effizienz von Wirkmechanismen bei der Oberflächenvorbehandlung zur Erzielung langzeitbeständiger Aluminiumklebungen wird hier - im Rahmen der in der vorliegenden Arbeit betrachteten Parameter und unter der Prämisse chemisch reaktiver Festkörperoberflächen - mit der Generierung dünner, nanoskopisch strukturierter Oberflächenmorphologien beantwortet.
In der vorliegenden Arbeit wird die Beständigkeit geklebter, hochfester Glasverbunde unter natürlicher Bewitterung untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Anforderungen an einen Klebstoff zum hochfesten und witterungsbeständigen Fügen von Glas für Anwendungen im Bauwesen zu spezifizieren und die Tauglichkeit geeignet erscheinender Systeme anhand dieser Anforderungen zu prüfen und zu bewerten. Feuchtigkeit sowie die UV- und Lichteinstrahlung sind die Hauptschädigungsfaktoren für Glasklebungen. Ein Klebstoff für die Befestigung von Punkthaltern an Glas muss unter diesen Belastungen dauerhafte Verbindungen zur Glasoberfläche aufbauen und im Vergleich zu den in linienförmigen Verbindungen eingesetzten Silikonen deutlich höhere Spannungen übertragen können. Als aussichtsreiche Klebstoffkonzepte zur Erfüllung dieser Forderungen werden ein epoxidverstärkter Silyl-Klebstoff und ein Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoff mit Haftvermittler ausgewählt. Diese Klebstoffe können der Theorie nach -ebenso wie Silikone- über Si-O-Si-Bindungen an die Glasoberfläche anbinden. Ein in der Praxis bewährter Silikondichtstoff dient als Bewertungsmaßstab für das Alterungsverhalten der gewählten Systeme. Die Untersuchung des Alterungsverhaltens der Klebstoffe erfolgt an Glas-Glas-Modellverbunden in Druckscher- und in Zugschergeometrie. Der Einfluss von Feuchtigkeit auf die Verbindung wird durch eine Wasserlagerung der Modellverbunde bei 40 °C simuliert, eine künstliche Bewitterung belastet die Proben zusätzlich durch UV- und sichtbares Licht. Durch eine parallel zu diesen Versuchen durchgeführte Freibewitterung kann die Aussagekraft der gewonnenen Ergebnisse bewertet werden. Die Wasserlagerung führt bei den mit GD 823 N hergestellten Modellverbunden nach relativ kurzer Zeit zu einem deutlichen Abfall der Verbundfestigkeit und zu einem Wechsel des im ungealterten Zustand kohäsiven Bruchbildes zu adhäsivem Versagen. Die künstliche Bewitterung zeigt die Unempfindlichkeit gegenüber der Einwirkung von Sonnenlicht, erhöhter Temperatur und zeitweiliger Feuchtebelastung. Sie führt zu keiner relevanten Änderung der Festigkeit oder des Bruchbildes der Modellverbunde. Die natürliche Bewitterung der Verbunde führt nach fünf Jahren zu keiner erkennbaren Schädigung des Klebstoffes oder der Grenzfläche. Die ermittelten mechanischen Kennwerte unterscheiden sich nur geringfügig von den im ungealterten Zustand ermittelten Werten. Bei den mit MOS 7 hergestellten Verbunden führt die Wasserlagerung zu einem moderaten Festigkeitsverlust, der durch Trocknung der Proben teilweise rückgängig gemacht werden kann. Dabei ändert sich das Bruchbild vom kohäsiven Versagen im ungealterten Zustand zu einem adhäsiven Versagen nach Wasserlagerung. Nach Rücktrocknung treten bei kürzeren Alterungsdauern wieder Kohäsionsbrüche auf, nach längerer Wasserlagerung bleibt das Bruchbild adhäsiv. Die Ergebnisse der mechanischen Prüfungen deuten auf eine signifikante Nachvernetzung des Klebstoffs im Verlauf der Alterungen hin, die nicht nur durch das Wasser, sondern auch durch die erhöhte Temperatur verursacht wird. Dies kann durch FTIR-Messungen gezeigt werden. Die künstliche Bewitterung führt zu einer deutlichen Schädigung der Verbindung, die sowohl in den mechanischen Kennwerten als auch im Wechsel des Bruchbildes sichtbar wird. Dieses Verhalten zeigen die Proben auch bei Freibewitterung. Längere Lagerung der Proben unter Lichtabschluss bei Umgebungsbedingungen führt zu einer starken Zunahme von Scherfestigkeit und E-Modul durch die langsam ablaufende Nachvernetzung der Epoxidharzphase. Der Klebstoff MOS 7 ist trotz der mit ihm zu erzielenden gut feuchtigkeitsbeständigen Verbunde aufgrund der nicht ausreichenden Beständigkeit bei Bewitterung und der sich stark ändernden mechanischen Eigenschaften für eine direkte UV-Belastung der Grenzfläche und einen Einsatz in feucht-warmer Umgebung weniger geeignet. Die mit dem Epoxidharz Sichel Metallon FL verklebten Modellverbunde werden sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 120 °C ausgehärtet. Nach beiden Aushärtebedingungen zeigen die Verbunde nach Alterung in 40 °C warmem Wasser nur geringe Verluste der Festigkeit. Erst die Erhöhung der Alterungstemperatur auf 70 °C führt zu einem deutlichen Festigkeitsverlust mit erkennbaren Vorteilen der Heißaushärtung. Bei künstlicher Bewitterung lassen sich geringfügige Unterschiede der verklebten Glasseite erkennen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verklebung der Ofenseite zu einer etwas besseren Beständigkeit führt. Technisch sind die ermittelten Unterschiede nur von geringer Bedeutung. Die Freibewitterung hinterlässt nach fünf Jahren keine erkennbaren Schäden an der Klebung.
Immer häufiger werden auch im industriellen Umfeld die im Bürobereich gebräuchlichen grafischen, fenster-orientierten Benutzungsoberflächen als Interaktionsschnittstelle eingesetzt. Die Interaktion erfolgt bei solchen fensterorientierten Bediensystemen mittels koordinatengebender Interaktionsgeräte. Im Bürobereich wird dabei als Interaktionsgerät überwiegend eine Computermaus eingesetzt. Mit der Computermaus verbietet sich jedoch ein industrieller Einsatz in rauer Umgebung, sofern sie nicht gegen Verschmutzung abgesichert wird. Weitere Probleme entstehen aus den industriellen Umgebungsbedingungen wie z.B. der häufig nicht vorhandenen Ablagefläche bei Tafelbenutzung und den Maschinenschwingungen bei nicht entkoppelten Bediensystem. Unter anderem wird zwar zur Lösung dieser Probleme eine Vielzahl von alternativen Interaktionsgeräten (wie z.B. Trackballs, Touchscreens, Joysticks, Mousepads, Mousebuttons, etc.) eingesetzt, allerdings ist deren Gebrauchstauglichkeit für die Benutzer nicht geklärt bzw. fragwürdig. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche es Entwicklern und Nutzern von Interaktionsgeräten erlaubt, die Gebrauchstauglichkeit von unterschiedlichsten Interaktionstechniken qualitativ und quantitativ bewerten und vergleichen zu können.
In dieser Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum (nahekritischen) Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht ternärer Systeme bestehend aus Ethen, Wasser und einem bei Umgebungsbedingungen vollständig wasserlöslichen organischen Lösungsmittel durchgeführt. Die Untersuchungen behandeln die Grundlagen eines neuartigen Flüssig-flüssig-Extraktionsverfahrens für Naturstoffe. Dieses Extraktionsverfahren wird durch einen wässrig-organischen Flüssigphasensplit ermöglicht, der durch das Aufpressen eines Gases (in der Nähe seines kritischen Zustandes) auf eine homogene wässrig / organische Phase auftritt. Die Untersuchung des durch den Flüssigphasensplit erzeugten Dreiphasengleichgewichts (LLV) sowie der Verteilung ausgewählter Naturstoffe zwischen den beiden Flüssigphasen des Dreiphasengleichgewichts bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Arbeit baut auf Untersuchungen von Wendland (1994) und Adrian (1997) auf. Wendland hat das Phasenverhalten der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 2-Propanol) vermessen und umfangreiche Fortran-Routinen zur Beschreibung des ternären Phasenverhaltens sowie der binären Randsysteme entwickelt. Adrian (1997) hat die drei ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (1- / 2-Propanol bzw. Propionsäure) sowie die Verteilung von zehn organischen Naturstoffen bzw. Modellkomponenten auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV in einem (teilweise beiden) der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 1-Propanol) untersucht. In dieser Arbeit wurde größtenteils Ethen als nahekritisches Gas eingesetzt, da es im Gegensatz zu dem zuvor benutzten Kohlendioxid in wässrigen Lösungen undissoziiert vorliegt und somit nicht den pH-Wert der koexistierenden flüssigen Phasen bestimmt. Die experimentelle Untersuchung der Phasengleichgewichte erfolgte mit einer Phasengleichgewichtsapparatur, die nach der analytischen Methode arbeitet. In einer thermostatisierten Hochdrucksichtzelle (30 cm3) wurde ein Phasengleichgewicht zwischen mehreren koexistierenden Phasen eingestellt. An die Messzelle waren zwei externe Probenahmeschleifen angeschlossen, durch welche die (in der Zelle koexistierenden) Phasen gepumpt wurden und aus denen Proben für die Analyse mittels GC und HPLC entnommen wurden. Bei Temperaturen zwischen 293 und 333 K und Drücken bis 20.5 MPa wurde das Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht (LLV) der beiden ternären Systeme Ethen + Wasser + (1- bzw. 2-Propanol) untersucht. Darüber hinaus wurden die Druck-Temperatur-Koordinaten kritischer Endpunktlinien in diesen beiden ternären Systemen bestimmt und weitere Untersuchungen zum generellen Phasenverhalten angestellt. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Messungen zur Verteilung von Naturstoffen auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV: Es wurde u. a. die einzelne Verteilung dreier Paare chemisch ähnlicher Naturstoffe im ternären System Ethen + Wasser + 2-Propanol bei 293 und 333 K untersucht. Die Paare waren 2,5-Hexanediol / 2,5-Hexandion, N-Acetyl-Glukosamin / N-Acetyl-Mannosamin und D- / L-Phenylalanin. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten der ternären Systeme mit der kubischen Zustandsgleichung (EoS) von Peng und Robinson (1976) in der Modifikation von Melhem et al. (1989) kombiniert mit verschiedenen Mischungsregeln beschrieben. Hierbei wurde sowohl eine Vorhersage des ternären Phasenverhaltens aus Informationen zu den binären Randsystemen als auch die Korrelation des ternären Phasenverhaltens angestrebt. Auch aufgrund der teilweise sehr geringen Anzahl von binären Messpunkten, konnte das Verhalten des Systems Ethen + Wasser + 2-Propanol nicht aus den Informationen zu den binären Randsystemen vorhergesagt werden. Für das Verhalten des ternären Systems Ethen + Wasser + 1-Propanol stimmte die Vorhersage nur qualitativ mit den Messwerten überein. Die Wiedergabe des Phasenverhaltens der ternären Systeme verbesserte sich signifikant, wenn die binären Wechselwirkungsparameter an experimentelle Daten für das Dreiphasengleichgewicht der ternären Systeme angepasst wurden. Zur Korrelation der Verteilung der Naturstoffe auf die flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts (LLV) wurde eine Methode benutzt, die auf der Anpassung von Reinstoffparametern der Naturstoffe für die Peng-Robinson EoS basiert. Hierbei wurden die in der EoS benötigten Reinstoffparameter des Naturstoffes an die Ergebnisse der Verteilungsmessungen angepasst, wobei die Wechselwirkungsparameter des ternären Grundsystems übernommen und die Parameter für Wechselwirkungen des Naturstoffes mit dem ternären Grundsystem vernachlässigt wurden. Durch dieses Vorgehen beschreiben die Reinstoffparameter der Naturstoffe auch die Mischungseigenschaften. Durch eine Normierung der Mess- bzw. Rechenwerte auf die gemessenen bzw. berechneten ternären oberen und unteren Begrenzungspunkte des Dreiphasengleichgewichts wurde eine quantitative Beschreibung der Messwerte erhalten.
Bei diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen kann sowohl während des Compoundierens wie auch bei der Verarbeitung zum Fertigteil, durch Wechselwirkung zwischen den Fasern, der Fasern mit Maschinenkomponenten oder auch mit Zusatzstoffen (beispielsweise Farbpigmenten) eine Faserschädigung auftreten. Diese Interaktionen zeigen sich deutlich in der Abnahme der im Bauteil vorhandenen mittleren Faserlänge. Eine Überprüfung der Faserfestigkeit war bisher, auf Grund fehlender geeigneter Prüfmethoden bei den geringen Schlankheitsgraden bereits verarbeiteter Fasern, nicht oder nur eingeschränkt möglich. Mit einem am Lehrstuhl RPE entwickelten Mikrofaserbiegeversuch gelingt es, die Einzelfaserfestigkeit experimentell zu bestimmen. Dies bietet somit die Möglichkeit, das Schädigungsverhalten der meist spröden und kerbempfindlichen Fasermaterialien über die Verarbeitung hinweg zu untersuchen und zu quantifizieren. Da die (Rest-)Faserfestigkeit in diskontinuierlich verstärkten Bauteilen nun bestimmt werden kann, ist eine Lücke bei Berechnungen geschlossen, und das Wissen über Wirkzusammenhänge der Faserschädigung wird erweitert. Aufbau der Arbeit: In den Vorbetrachtungen zu dieser Arbeit werden zunächst kurz die Grundzusammenhänge zur Steifigkeits- und Festigkeitssteigerung der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe angesprochen und anschließend bestehende Modellvorstellungen zur Faserverstärkung bei Kunststoffen vorgestellt. Nachdem der Wissensstand zu bestehenden Messtechniken der mechanischen Fasercharakterisierung aufgezeigt ist, wird die entwickelte Messmethode des Dreipunktbiegeversuchs zur Faserfestigkeitsbestimmung ausführlich vorgestellt und deren Möglichkeiten und Einschränkungen diskutiert. Es folgt die Erläuterung der Notwendigkeit und der Vorgehensweise der statistischen Absicherung von Kennwerten spröder Verstärkungsfasern sowie die Vorgehensweise der Kennwertumrechnung auf reale Belastungen. Den Hauptteil bilden die einzelnen Untersuchungen mit jeweils anschließender Diskussion und Zusammenfassung. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit in einer ausführlichen Zusammenfassung erläutert. Durchgeführte Untersuchungen: Ein Schwerpunkt der Arbeit bildet die Überprüfung des Einflusses von Farbpigmenten, welche zur Einfärbung technischer Kunststoffe verwendet werden, auf die Eigenschaften diskontinuierlich kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und BMC. Die Literatur beschreibt diesen Sachverhalt der teilweise drastischen Festigkeits- und Zähigkeitsminderung bei Einfärbung von FKV nur phänomenologisch oder führt die Effekte alleinig auf Wechselwirkungen Pigment/Matrix zurück, wobei dies zu einem unvollständigen und zumindest teilweise auch falschen Bild der Wirkzusammenhänge führt. Der Schädigungsverlauf der Fasern bei Einfärbung mit Pigmenten, deren Härte über der des Faserwerkstoffs liegt, wird quantitativ über die Verarbeitungsschritte hinweg bis zum Prüfkörper dargestellt. Durch die Kenntnis der Faserschwächung in Verbindung mit dem verarbeitungsbedingt nun verstärkten Faserbruch kann der Verlust an Verbundeigenschaften erklärt werden. Über die Vielzahl der Untersuchungen gelingt es, die Wirkzusammenhänge empirisch zu beschreiben und Erklärungsansätze zu geben. Dabei wurden die Messreihen systematisch aufeinander aufbauend durchgeführt und Zusammenhänge herausgearbeitet. Zwar sind die Untersuchungen oft grundsätzlichen Charakters und dienen eher der Evaluierung einer Vorstellung zum Schädigungsverlauf, dennoch wurde auf die Anwendungsbezogenheit Wert gelegt. Die Kenntnis der grundlegenden Wirkzusammenhänge bietet die Möglichkeit, Regeln und Maßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Faserschädigung bei der Kunststoffeinfärbung abzuleiten. Ergebnisse werden beispielhaft an Rechnungen, die sich an bestehenden Modellen zu Festigkeit und Energieaufnahme der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe orientieren, überprüft und diskutiert. Grundlage ist hierbei die Bruchfestigkeit der Faser bei Zugbelastung. Da die an Einzelfasern durchgeführten Biegeversuche „nur“ Biegebruchspannungen ergeben, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es gelingt, von gegebenen Biegefestigkeiten in entsprechende Zugfestigkeiten umzurechnen. Der Zusammenhang wird über die effektiv belastete Faseroberfläche im Mikrobiegeversuch gegenüber der entsprechenden Fläche bei Zugbelastung geliefert. Basis der statistischen Kennwertberechnung ist hierbei die Weibullverteilung. Sie liefert eine exponentielle Verteilungsfunktion der Festigkeiten spröder Werkstoffe und ist auch für die Betrachtung der überwiegend behandelten Glasfilamente gut geeignet. Nach dem Prinzip „des schwächsten Gliedes“ geht demnach das Versagen des beobachteten Volumens vom größten Defekt innerhalb desselben aus. Voraussetzung der Anwendbarkeit ist hierbei, dass der Bruch des Materials von statistisch homogen verteilten Defekten einer Art ausgeht und nur Zugversagen auftritt (die homogene Defektverteilung bietet die Grundlage der Übertragung auf das Bauteil und damit das größere Volumen). Weitere Untersuchungen liefern Beiträge zum Recycling faserverstärkter Kunststoffe. So wird der hydrolytische Faserfestigkeitsabbau bei Kühlerwasserkästen aus PA6-GF35 betrachtet und eine Untersuchung der Faserfestigkeit nach dem SMC-Recycling (Partikelrecyclingverfahren) vorgestellt.
Theory and numerics of higher gradient inelastic material behavior
(2003)
