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T1 - Charakterisierung von Epoxidharzformulierungen für Verbundwerkstoffe - Einfluss von Aushärtegrad und Aushärteweg

AU - Wolfahrt, Markus

N1 - nicht gesperrt

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Aufgrund ihres herausragenden mechanischen Eigenschaftsprofils, das sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte auszeichnet, werden polymere Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe als Konstruktionsmaterialien in Leichtbauanwendungen, insbesondere in Primär- und Sekundärstrukturen von Pas-sagierflugzeugen, erfolgreich eingesetzt. Entscheidende Kriterien in Hinblick auf die ingenieurmäßige Auslegung und den zuverlässigen Einsatz von Faserverbundbauteilen sind dabei unter anderem die Druckfestigkeit sowie die Schadenstoleranz und das Ermüdungsverhalten, wobei diese Kenngrößen wesentlich von den Eigenschaften des Matrixharzes mitbestimmt werden. Die Analyse unterschiedlicher Einflussfaktoren, wie die Zusammensetzung von Einsatzstoffen und Harzformulierungen, Verarbeitungs- und Aushärtungsbedingungen sowie Aushärtungsgrade und Feuchtigkeitsgehalte auf die mechanischen Eigenschaften gehärteter Reinharze ist daher von grundlegender Bedeutung. Dementsprechend lag eine Hauptzielsetzung dieser Dissertation zunächst in der systematischen und umfassenden Aufklärung der Zusammenhänge zwischen dem Aushärtegrad sowie dem Aushärteweg und der für Hochleistungsverbundwerk-stoffe wesentlichen Matrixeigenschaften (Reinharz-Schlüsseleigenschaften) Speichermodul in Abhängigkeit von der Temperatur, Glasübergangstemperatur und kritischer Energiefreisetzungsrate kommerziell verfügbarer Epoxidharz-Matrixsysteme im Trocken- und Feuchtzustand. Neben thermo-kalorimetrischen Basisuntersuchungen zur Beurteilung des Aushärtungsverhaltens und des Aushärtegrades mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie bildeten die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) unter 3-Punkt-Biege- und unter Torsionsbelastung sowie bruchmechanische Untersuchungen das zentrale Element der prüfmethodischen Umsetzung. Während die dynamisch-mechanischen Versuche zur Erfassung der thermo-mechanischen Speichermodulverläufe Ef(T) bzw. Gto(T), die als Basis für die Ermittlung der Spei-chermodulwerte Ef(23) bei 23 °C bzw. Gto(30) bei 30 °C und der entsprechenden Glasübergangstemperaturen Tgf und Tgto (Onsetwerte), durchgeführt wurden, waren die bruchmechanische Versuche auf die experimentelle Bestimmung der kritischen Energiefreisetzungsrate GIC auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) ausgerichtet. Ein weiteres Ziel bestand darin, durch eine analoge Werkstoffcharakterisierung die Übertragbarkeit der an Reinharzen (Reinharzebene) ermittelten Ergebnisse auf die Faser-Verbundwerkstoffe (Laminatebene) in Abhängigkeit vom Aushärtegrad sowie vom Feuchtegehalt zu überprüfen.

AB - Aufgrund ihres herausragenden mechanischen Eigenschaftsprofils, das sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte auszeichnet, werden polymere Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe als Konstruktionsmaterialien in Leichtbauanwendungen, insbesondere in Primär- und Sekundärstrukturen von Pas-sagierflugzeugen, erfolgreich eingesetzt. Entscheidende Kriterien in Hinblick auf die ingenieurmäßige Auslegung und den zuverlässigen Einsatz von Faserverbundbauteilen sind dabei unter anderem die Druckfestigkeit sowie die Schadenstoleranz und das Ermüdungsverhalten, wobei diese Kenngrößen wesentlich von den Eigenschaften des Matrixharzes mitbestimmt werden. Die Analyse unterschiedlicher Einflussfaktoren, wie die Zusammensetzung von Einsatzstoffen und Harzformulierungen, Verarbeitungs- und Aushärtungsbedingungen sowie Aushärtungsgrade und Feuchtigkeitsgehalte auf die mechanischen Eigenschaften gehärteter Reinharze ist daher von grundlegender Bedeutung. Dementsprechend lag eine Hauptzielsetzung dieser Dissertation zunächst in der systematischen und umfassenden Aufklärung der Zusammenhänge zwischen dem Aushärtegrad sowie dem Aushärteweg und der für Hochleistungsverbundwerk-stoffe wesentlichen Matrixeigenschaften (Reinharz-Schlüsseleigenschaften) Speichermodul in Abhängigkeit von der Temperatur, Glasübergangstemperatur und kritischer Energiefreisetzungsrate kommerziell verfügbarer Epoxidharz-Matrixsysteme im Trocken- und Feuchtzustand. Neben thermo-kalorimetrischen Basisuntersuchungen zur Beurteilung des Aushärtungsverhaltens und des Aushärtegrades mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie bildeten die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) unter 3-Punkt-Biege- und unter Torsionsbelastung sowie bruchmechanische Untersuchungen das zentrale Element der prüfmethodischen Umsetzung. Während die dynamisch-mechanischen Versuche zur Erfassung der thermo-mechanischen Speichermodulverläufe Ef(T) bzw. Gto(T), die als Basis für die Ermittlung der Spei-chermodulwerte Ef(23) bei 23 °C bzw. Gto(30) bei 30 °C und der entsprechenden Glasübergangstemperaturen Tgf und Tgto (Onsetwerte), durchgeführt wurden, waren die bruchmechanische Versuche auf die experimentelle Bestimmung der kritischen Energiefreisetzungsrate GIC auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) ausgerichtet. Ein weiteres Ziel bestand darin, durch eine analoge Werkstoffcharakterisierung die Übertragbarkeit der an Reinharzen (Reinharzebene) ermittelten Ergebnisse auf die Faser-Verbundwerkstoffe (Laminatebene) in Abhängigkeit vom Aushärtegrad sowie vom Feuchtegehalt zu überprüfen.

KW - Epoxidharze

KW - Faser-Verbundwerkstoffe

KW - Aushärtegrad

KW - Aushärteweg

KW - epoxy resin

KW - fibre-reinforced composites

KW - degree of cure

KW - cure path

M3 - Dissertation

ER -