Eine effektive Methode zur Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von
Epoxidharzen ist die Verwendung von homogen dispergierten Nanopartikeln. Es existiert
eine große Vielzahl an Nanopartikeln, die sich hinsichtlich ihrer Form und Größe sowie ihrer
chemischen Zusammensetzung deutlich unterscheiden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es,
speziell den Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten
von Epoxidharz-Nanocompositen zu beschreiben und zu erklären.
Im Speziellen soll der Einfluss der Partikelform, der Partikelgröße und des Aspektverhältnisses
der Nanopartikel untersucht werden. Für diese Untersuchungen wurden sphärische,
stäbchenförmige und plättchenförmige Nanopartikel so ausgewählt, dass diese in ihren geometrischen
Abmessungen und ihrer chemischen Zusammensetzung vergleichbar sind.
Die anspruchsvollen Ziele der vorliegenden Dissertation erfordern die Betrachtung eines
ganzheitlichen interdisziplinären Ansatzes. Dieser umfasst die Auswahl und Oberflächenmodifikation
der Nanopartikel, die Optimierung und Charakterisierung der Dispergierqualität, die
stetige Analyse der Partikelgrößenverteilung sowie die Bestimmung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens
und dessen Interpretation anhand von bruchmechanischen Theorien
und deren Korrelation mit der Partikelgeometrie.
Die Ergebnisse der Arbeit verdeutlichen, dass das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten der
Nanocomposite deutlich von der Partikelgeometrie beeinflusst wird. Durch die Korrelation der
auftretenden bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen mit der Partikelgeometrie und der
Anpassung bruchmechanischer Theorien an die dynamische Rissausbreitung können die
beobachteten Unterschiede im Materialverhalten erklärt werden.
Es zeigt sich, dass die Partikelgröße einen maßgeblichen Einfluss auf die auftretenden
bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen und damit auf das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten
hat. Eine direkte Wechselwirkung der Nanopartikel mit der fortschreitenden Rissfront
tritt auf, sobald die Partikelgröße die Größe der dynamischen Rissspitzenöffnungsverschiebung
überschreitet. Die sehr kleinen nano-SiO2-Partikel können nur durch lokale plastische
Deformation, hervorgerufen durch die Delamination der Nanopartikel und das anschließende
Porenwachstum, zur Steigerung des FCP-Verhaltens beitragen. Die Verbesserung
des Materialverhaltens ist dabei auf die extrem hohe Anzahl an Nanopartikeln und
Delaminationsereignissen an deren Oberflächen zurückzuführen. Nanopartikel, deren Partikelgröße
in einer Dimension die Rissspitzenöffnungsverschiebung überschreitet (z. B. synthetische
Schichtsilikate), führen durch das Auftreten von Rissanhaftung und -ablenkung und
der damit verbundenen Delokalisierung der bruchzähigkeitssteigernden Effekte zu einer effektiveren
Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens. Neben der PartikelgröV
ße kann auch ein deutlicher Einfluss der Partikelform auf das FCP-Verhalten beobachtet
werden, wohingegen der Einfluss des Aspektverhältnisses gering bzw. nicht eindeutig zu
quantifizieren ist.
Aktualisiert: 2022-03-15
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