TY - THES

T1 - Mechanische Eigenschaften von Epoxidharz-Faserverbundwerkstoffen in Abhängigkeit vom Aushärtungsgrad

AU - Karpf, Robert Jochen

N1 - gesperrt bis 05-06-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Hochleistungsverbundwerkstoffe haben in den letzten Jahrzehnten einen festen Platz als Konstruktionswerkstoffe in höchst beanspruchten Anwendungsbereichen eingenommen. Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von derartigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen wird vor allem durch die Optimierung der Härtungsbedingungen der duromeren Matrix beeinflusst, wobei gleichzeitig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften sicherzustellen sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung thermo-mechanischer und bruchmechanischer Schlüsseleigenschaften eines quasi-unidirektionalen kohlenstoff-faserverstärkten Epoxidharzes in Abhängigkeit vom Aushärtungsgrad, wobei der untersuchte Aushärtungsbereich von 80 bis 95 % Umsatz reichte. Das Prüfprogramm bestand aus dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) und bruchmechanischen Untersuchungen sowohl auf Reinharz- als auch auf Laminatebene im trockenen und feuchten Werkstoffzustand. Ergänzend wurde die Druckfestigkeit am Laminat untersucht. Das Reinharz zeigte analog zum Laminat eine tendenzielle Zunahme des Sättigungsfeuchtegehalts von ca. 2,6 auf 2,8 m-% mit steigendem Aushärtungsgrad, wobei die Sättigungsfeuchtegehalte des Laminates rund 60% unter den entsprechenden Werten des Reinharzes lagen. Hinsichtlich des thermo-mechanischen Werkstoffverhaltens konnte für beide Werkstoffe (Laminat und Reinharz) eine Verschiebung der Glasübergangstemperaturen von ca. 115 °C auf 170 °C mit zunehmenden Aushärtungsgrad festgestellt werden. Weiters wurde in Übereinstimmung mit den Ergebnissen auf Reinharzebene ein gradueller Abfall der E-Modulwerte des Laminats im Glaszustand sowohl für den Trocken- als auch für den Feuchtzustand mit zunehmendem Aushärtungsgrad ermittelt. Parallel dazu zeigte sich im Rahmen der bruchmechanischen Untersuchungen zumindest ein tendenzieller umsatzabhängiger Anstieg der Risszähigkeiten auf Reinharz- und Laminatebene. Diese Eigenschaftsänderungen mit zunehmendem Aushärtungsgrad sind möglicherweise auf eine zunehmende molekulare Beweglichkeit im freien Volumen der Epoxidharzmatrix mit bei Verbrauch niedermolekularer Formulierungsbestandteile zurückzuführen. Die Gegenüberstellung der Laminatdruckfestigkeit mit dem aus der dynamisch-mechanischen Analyse ermittelten Reinharzmodul im Trockenzustand zeigte einen signifikanten Einfluss der Matrixsteifigkeit, wobei sowohl die E-Modulwerte des Reinharzes als auch der Druckfestigkeiten des Laminates mit steigendem Aushärtungsgrad abfallen.

AB - Hochleistungsverbundwerkstoffe haben in den letzten Jahrzehnten einen festen Platz als Konstruktionswerkstoffe in höchst beanspruchten Anwendungsbereichen eingenommen. Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von derartigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen wird vor allem durch die Optimierung der Härtungsbedingungen der duromeren Matrix beeinflusst, wobei gleichzeitig die erforderlichen mechanischen Eigenschaften sicherzustellen sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung thermo-mechanischer und bruchmechanischer Schlüsseleigenschaften eines quasi-unidirektionalen kohlenstoff-faserverstärkten Epoxidharzes in Abhängigkeit vom Aushärtungsgrad, wobei der untersuchte Aushärtungsbereich von 80 bis 95 % Umsatz reichte. Das Prüfprogramm bestand aus dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) und bruchmechanischen Untersuchungen sowohl auf Reinharz- als auch auf Laminatebene im trockenen und feuchten Werkstoffzustand. Ergänzend wurde die Druckfestigkeit am Laminat untersucht. Das Reinharz zeigte analog zum Laminat eine tendenzielle Zunahme des Sättigungsfeuchtegehalts von ca. 2,6 auf 2,8 m-% mit steigendem Aushärtungsgrad, wobei die Sättigungsfeuchtegehalte des Laminates rund 60% unter den entsprechenden Werten des Reinharzes lagen. Hinsichtlich des thermo-mechanischen Werkstoffverhaltens konnte für beide Werkstoffe (Laminat und Reinharz) eine Verschiebung der Glasübergangstemperaturen von ca. 115 °C auf 170 °C mit zunehmenden Aushärtungsgrad festgestellt werden. Weiters wurde in Übereinstimmung mit den Ergebnissen auf Reinharzebene ein gradueller Abfall der E-Modulwerte des Laminats im Glaszustand sowohl für den Trocken- als auch für den Feuchtzustand mit zunehmendem Aushärtungsgrad ermittelt. Parallel dazu zeigte sich im Rahmen der bruchmechanischen Untersuchungen zumindest ein tendenzieller umsatzabhängiger Anstieg der Risszähigkeiten auf Reinharz- und Laminatebene. Diese Eigenschaftsänderungen mit zunehmendem Aushärtungsgrad sind möglicherweise auf eine zunehmende molekulare Beweglichkeit im freien Volumen der Epoxidharzmatrix mit bei Verbrauch niedermolekularer Formulierungsbestandteile zurückzuführen. Die Gegenüberstellung der Laminatdruckfestigkeit mit dem aus der dynamisch-mechanischen Analyse ermittelten Reinharzmodul im Trockenzustand zeigte einen signifikanten Einfluss der Matrixsteifigkeit, wobei sowohl die E-Modulwerte des Reinharzes als auch der Druckfestigkeiten des Laminates mit steigendem Aushärtungsgrad abfallen.

KW - carbon fiber composites

KW - dynamic mechanical analysis

KW - epoxy resin

KW - fracture toughness

KW - curing degree

KW - water absorption

KW - Hochleistungs-Verbundwerkstoffe

KW - dynamisch-mechanische Analyse

KW - Aushärtungsgrad

KW - Druckfestigkeit

KW - CFK-Laminat

KW - Epoxidharz

KW - Feuchteaufnahme

KW - Risszähigkeit

M3 - Masterarbeit

ER -