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Mechanical properties of epoxy/boehmite nanocomposites in dependency of mass fraction and surface modification - An experimental and numerical approach

Jux, Maximilian und Fankhänel, Johannes und Daum, Benedikt und Mahrholz, Thorsten und Sinapius, Michael und Rolfes, Raimund (2018) Mechanical properties of epoxy/boehmite nanocomposites in dependency of mass fraction and surface modification - An experimental and numerical approach. Polymer, 141, Seiten 34-45. Elsevier. doi: 10.1016/j.polymer.2018.02.059. ISSN 0032-3861.

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2MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386118301915

Kurzfassung

Boehmite nanoparticles show great potential in improving the matrix dominated mechanical properties of fiber reinforced polymers. For the material design process and the prediction of the nanocomposite's properties, knowledge about the material behavior of the constituent phases and their interactions is crucial. Since the chemical composition of the particle surface can strongly affect the interaction between particle and matrix, the influence of particle surface modification and mass fraction on mechanical properties (tensile modulus, tensile strength, fracture toughness) and failure mechanisms of nanoparticle reinforced epoxy resins is investigated using experimental and numerical methods. In the present work, unmodified and thus chemically reactive boehmite particles are compared to acetic acid modified particles with supposedly lower chemical reactivity and thus worse particle-matrix bonding. A linear relationship between particle mass fraction and tensile modulus/fracture toughness is experimentally found with a maximum increase of 26% in tensile modulus and 62% in critical energy release rate for a particle content of 15 wt%. Furthermore, the experiments indicate that the acetic acid surface modification increases the tensile modulus (up to 6% compared to the unmodified boehmite particles), but at the same time not significantly affects the tensile strength or the fracture toughness. Molecular Dynamic Finite Element Method (MDFEM) simulations are conducted to identify and understand the mechanisms induced by nanoparticles. The material properties of both, modified and unmodified, nanoparticle systems are discussed in relation to the change of particle-matrix bonding strength and interphase morphology. While simulation results of the unmodified system show an outstanding agreement with the experiments, the acetic acid modified system deviates significantly. In conclusion, it seems that additional effects have to be considered to completely understand the material behavior.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/119257/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:Beitrag aus DFG Projekt FOR2021
Titel:Mechanical properties of epoxy/boehmite nanocomposites in dependency of mass fraction and surface modification - An experimental and numerical approach
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Jux, MaximilianMaximilian.Jux (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0175-2875NICHT SPEZIFIZIERT
Fankhänel, JohannesUniversität Hannover, Inst. für Statik und DynamikNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Daum, BenediktUniversität Hannover, Inst. für Statik und DynamikNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mahrholz, ThorstenThorsten.Mahrholz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1488-0910NICHT SPEZIFIZIERT
Sinapius, Michaelm.sinapius (at) tu-braunschweig.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rolfes, RaimundUniversität Hannover, Inst. für Statik und DynamikNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:27 Februar 2018
Erschienen in:Polymer
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:141
DOI:10.1016/j.polymer.2018.02.059
Seitenbereich:Seiten 34-45
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Cheng, Stephen Z.D.University of Akron, Akron, Ohio, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, Axel H.E.Johannes Gutenberg Universität Mainz, Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Elsevier
ISSN:0032-3861
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Boehmite Nanoparticles Epoxy resin Surface modification Mechanical properties Numerical methods
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HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Flugzeuge
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DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Strukturen und Werkstoffe (alt)
Standort: Braunschweig
Institute & Einrichtungen:Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik > Multifunktionswerkstoffe
Hinterlegt von: Jux, Maximilian
Hinterlegt am:12 Mär 2018 08:49
Letzte Änderung:31 Jul 2019 20:16

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