Wirkmechanismen nanoskaliger Partikel auf die Bauteildeformation von faserverstärkten Kunststoffen

Abstract

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe besitzen herausragende spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten. Hierdurch bietet das Material ein großes Leichtbaupotential. Eine Herausforderung beim Einsatz von Faserverbunden sind jedoch Bauteildeformationen, die im Fertigungsprozess durch die unterschiedlichen Eigenschafen von Faser und Kunststoff entstehen. Die vorliegende Arbeit begegnet dem Phänomen der Abweichung der Soll- von der Ist-Geometrie durch die Integration von pyrogenen Nanopartikeln in die Matrix. Dabei liegt der Fokus auf winkelförmigen im RTM-Prozess hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Durch die nanoskalige Materialmodifikation kommt es zu einer Anpassung der Matrixeigenschaften, so dass die Bauteildeformationen des Faserverbundes gezielt verringert werden. Literaturdaten zeigen, dass hierfür insbesondere Änderungen in der Netzwerkbildung, der Reaktionsgeschwindigkeit, der thermischen und chemischen Schwindung, dem Elastizitätsmodul sowie der Querkontraktionszahl verantwortlich sind. In umfangreichen experimentellen Messreihen wird in dieser Arbeit der Einfluss der Materialzusammensetzung, also des Partikelgehaltes, der Partikel- und der Harzauswahl sowie der Partikelmodifikation auf die genannten Matrixparameter aufgezeigt. Die Ergebnisse beweisen einen signifikanten Einfluss des Partikelgehaltes und des Polymermaterials auf die Materialeigenschaften, während das Partikelmaterial und die Oberflächenmodifikation eine untergeordnete Rolle spielen. Die Oberflächenmodifikation hat ihrerseits jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Viskosität der flüssigen Nanokomposite, was den maximal prozessierbaren Partikelgehalt festlegt. Die beobachteten Ergebnisse werden zusätzlich vom Nanokomposit auf L-förmige faserverstärkte Nanokomposite übertragen. Hierbei kann die Reduzierung der Bauteildeformation durch das Einbringen der Partikel bestätigt werden. Die Ergebnisse zeigen eine abnehmende Bauteildeformation mit steigendem Partikelgehalt, sowie einen Einfluss der Auswahl des Polymersystems. Das Partikelmaterial und die Oberflächenmodifikation haben hingegen keine Auswirkung auf die Bauteildeformation. Die gefundenen Zusammenhänge zwischen Materialauswahl und Auswirkung auf die Matrixeigenschaften und die Bauteildeformation des Faserverbundes werden abschließend systematisch bewertet. Hierdurch kann eine Methodik zur Matrixentwicklung für reduzierte Bauteildeformationen von faserverstärkten Nanokompositen aufgezeigt werden. Diese ermöglicht zukünftig zielgerichtet geeignete Polymer- und Partikel-Kombinationen zu entwickeln, die eine minimale Bauteildeformation von winkelförmigen Faserverbunden aufweisen.