Einfluss der Verarbeitungstechnologie und Werkstoffzusammensetzung auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von thermoplastischen Nanoverbundwerkstoffen

Die Einarbeitung von nanoskaligen Füllstoffen zur Steigerung von polymeren Eigenschaftsprofilen ist sehr viel versprechend und stößt daher heutzutage sowohl in der Forschung als auch in der Industrie auf großes Interesse. Bedingt durch ausgeprägte Oberflächen und hohe Anziehungskräfte, liegen Nanopartikel allerdings nicht singulär sondern als Partikelanhäufungen, so genannten Agglomeraten oder Aggregaten, vor. Zur Erzielung der gewünschten Materialverbesserungen gilt es, diese aufzuspalten und homogen in der polymeren Matrix zu verteilen. Bei thermoplastischen Kunststoffen ist die gleichläufige Doppelschneckenextrusion eines der gängigsten Verfahren zur Einarbeitung von Additiven und Füllstoffen. Aus diesem Grund war es Ziel dieser Arbeit, mittels dieses Verfahrens verbesserte Verbundwerkstoffe mit Polyamid 66- und Polyetheretherketon-Matrix, durch Einarbeitung von nanoskaligem Titandioxid (15 und 300 nm), zu generieren. In einem ersten Schritt wurden die verfahrenstechnischen Parameter, wie Drehzahl und Durchsatz, sowie die Prozessführung und damit deren Einfluss auf die Materialeigenschaften beleuchtet. Der spezifische Energieeintrag ist ausschlaggebend zur Deagglomeration der Nanopartikel. Dieser zeigte leichte Abhängigkeiten von der Drehzahl und dem Durchsatz und verursachte bei der Einarbeitung der Partikel keine wesentlichen Unterschiede in der Aufspaltung der Partikel sowie gar keine in den resultierenden mechanischen Eigenschaften. Die Prozessführung wurde unterteilt in Mehrfach- und Einfachextrusion. Die Herstellung eines hochgefüllten Masterbatches, dessen mehrfaches Extrudieren und anschließendes Verdünnen, führte zu einer sehr guten Deagglomeration und stark verbesserten Materialeigenschaften. Mittels Simulation des Extrusionsprozesses konnte festgestellt werden, dass das Vorhandensein von ungeschmolzenem Granulat in der Verfahrenszone zu einer Schmelze/Nanopartikel/ Feststoffreibung führt, die die Ursache für eine sehr gute Aufspaltung der Partikel zu sein scheint. Durch Modifikation des Extrusionsprozesses erreichte die Einfachextrusion annähernd den Grad an Deagglomeration bei Mehrfachextrusion, wobei die Materialien bei letzterem Verfahren die besten Eigenschaftsprofile aufwiesen. In einem zweiten Schritt wurde ein Vergleich der Einflüsse von unterschiedlichen Partikelgrößen und –gehalten auf die polymeren Matrizes vollzogen. Die 15 nm Partikel zeigten signifikant bessere mechanische Ergebnisse auf als die 300 nm Partikel, und die Wirkungsweise des 15 nm Partikels auf Polyetheretherketon war stärker als auf Polyamid 66. Es konnten Steigerungen in Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit erzielt werden. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten diese Ergebnisse. Eine Berechnung der Plan-Selbstkosten von einem Kilogramm PEEK-Nanoverbundwerkstoff im Vergleich zu einem Kilogramm unverstärktem PEEK verdeutlichte, dass ein Material kreiert wurde, welches deutlich verbesserte Eigenschaften bei gleichem Preis aufweist. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein tieferes Verständnis des Extrusionsvorganges zur Herstellung von kostengünstigen und verbesserten Thermoplasten durch das Einbringen von Nanopartikeln gewonnen werden

Using Continuum-Discontinuum Element Method to Model the Foliation-Affected Fracturing in Rock Brazilian Test

In this study, the continuum-discontinuum element method (CDEM) was used to investigate the tensile fracture mechanism of rock materials. An isotropic rock disk model and models considering different foliation inclinations were established, and three schemes were used to simulate the rock fracturing in Brazilian test. Then, the influences of the rock matrix and foliation strengths on anisotropy rock fracturing were investigated. Furtherly, simulation results were verified, and the rock fracture mechanisms were discussed. The results show that the rock fracturing in Brazilian test can be accurately simulated by CDEM, which is in accordance with the experimental results. For isotropic and horizontal foliation rock, the stress concentration in loading positions causes a local fracture of rock sample, and application of a local strengthening scheme can simulate the integral tension fracture of sample middle. As the foliation angle varies from 15 degrees to 45 degrees, the rock fracturing is affected by the stress concentration and foliation distribution. In splitting simulation, a strengthening scheme should be adopted to overcome this influence. As a result, the rock sample generates the sliding and compression-shear fracture. As the foliation angle changes from 45 degrees to 75 degrees, the foliation, rather than the matrix, dominates the fracture behavior of rock sample. For vertical foliations' rock, as the middle foliation thickness is appropriately broadened, the simulation results are reasonable. In general, the tensile strength of anisotropic rock entirely decreases with an increase of foliation angle, and the effect of foliation strength on the tensile strength rock sample is larger than that of the rock matrix

Coupling of material point and continuum discontinuum element methods for simulating blast-induced fractures in rock

A rock blasting simulation method is proposed that couples the material point method (MPM) and continuum discontinuum element method (CDEM). Blast-induced rock fractures are captured by the CDEM using normal and shear springs, and the explosive detonation is simulated by the MPM with a Jones-Wilkins-Lee equation of state. A particle-surface/edge contact method is introduced into the MPM-CDEM to calculate the interaction between the detonation products and rock medium. Three numerical examples are presented to verify the effectiveness of the proposed method. The fracture degree is represented as the ratio of the number of fractured springs to the total number of springs, and is used to analyze the evolution of shear and tension cracks under blasting. The simulation results show that the proposed numerical method well simulates blast-induced rock fractures and considers both progressive rock fracturing and the real explosive detonation. In particular, the expansion of the detonation gas, crushed zone around the blasthole, radial cracks, and effects of pre-existing stress on the blast-induced fractures are all successfully simulated

Coral reef applications of Landsat-8: geomorphic zonation and benthic habitat mapping of Xisha Islands, China

Being one of the most significant and valuable coral reef systems in the South China Sea, the Xisha Islands has undergone rapid transformation due to increasing stressors from human impacts and climate change in recent years. However, as indispensable information for coral reef monitoring and management, the detailed reef extent, geomorphic zonation, or benthic composition of the Xisha Islands is not well documented. Considering limited access to the Xisha Islands, the rapid development of optical remote sensing technology provides us with a feasible mean for coral reef observation. This study adopted a water depth substitution index – probabilistic inundation (PI) – combined with depth-invariant index (DII) to achieve reef extent exploration, geomorphologic and benthic habitat types classification with unsupervised classification algorithms based on Landsat-8 time-series satellite data. Compared with two open-access datasets, the extent of each independent reef extracted from PI exhibited higher similarity with the actual boundary conditions displayed in RGB (Red-Green-Blue) composite images from Landsat-8. Based on PI and derived slope, we obtained geomorphic zonation classification results, and similarly benthic compositions were retrieved based on PI, DII, and reflectance. The overall accuracy of geomorphic zonation and benthic habitat classification results were 72% and 86%, respectively. We also interestingly discovered that corals of the Xisha Islands may be capable of an ability to resist chronic heat stress as a growth trend of reef area after two successive stress events in 2014–2015 were observed at most reefs. The proposed mapping framework of this study provides a repeatable and flexible scheme in depicting the comprehensive situation of coral reefs at Xisha Islands based only on publicly available remote sensing data without complicated pre-set parameters, which could be easily extended to coral reef research around the world. Simultaneously, the findings also provide requisite information supporting the sustainable management and conservation of coral reef ecosystems in the Xisha Islands.</p