Einfluss der Grenzflächen nanoskaliger Matrixadditive auf das Schlagzähigkeitsverhalten von Faserverbunden

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Partikel-Matrix-Grenzfläche auf die mechanischen Eigenschaften von duroplastischen, faserverstärkten Nanokompositen. Als Ausgangsmaterialien werden Epoxidharz, Böhmitpartikel und Kohlenstofffasern verwendet. Weiterhin werden die Böhmitpartikel mit verschiedenen Oberflächenmodifikationen eingesetzt, um gezielt die Partikel-Matrix-Grenzfläche zu beeinflussen. Bei den verwendeten Oberflächenmodifikationen handelt es sich um kurz- und langkettige Karbonsäuren, sowie um Taurin und APTES. Für die Verarbeitung der in Pulverform vorliegenden Böhmitpartikel werden diese in dem flüssigen Epoxidharz dispergiert. Die Dispergierung erfolgt in einem zweistufigen Prozess mittels Knetwerk und Dreiwalze. Mit Hilfe dieses Prozesses können Suspensionen mit homogenen Partikelverteilungen und nahezu identischen Partikelgrößen hergestellt werden. In systematischen Reihenuntersuchungen werden in Abhängigkeit der Oberflächenmodifikation der Böhmitpartikel und des Füllstoffgehaltes Biege-, Zug- und Risseigenschaften von 2-Phasen-Kompositen (Partikel/Matrix), sowie Riss- und Schlagzähigkeitsverhalten von 3-Phasen-Kompositen (Faser/Partikel/Matrix) untersucht. Neben den mechanischen Eigenschaften der Komposite sind auch die rheologischen Eigenschaften der aushärtenden Kompositgemische insbesondere hinsichtlich deren Prozessierbarkeit von großem Interesse. Die verwendeten Oberflächenmodifikationen besitzen einen starken Einfluss auf Initialviskosität und Topfzeit. Beispielsweise können durch eine Modifikation der Böhmitpartikel mit nicht-reaktiven Karbonsäuren und APTES sowohl Initialviskosität als auch Topfzeit deutlich verbessert werden, was darauf hindeutet, dass die Partikel-Matrix-Interaktion aufgrund dieser Oberflächenmodifikationen herabgesetzt wird. Durch eine Modifikation der Partikeloberfläche der Böhmitpartikel ist es demnach möglich, die Prozessierbarkeit der aushärtenden Kompositgemische gezielt zu beeinflussen. Der Einfluss der verwendeten Oberflächenmodifikationen auf die untersuchten mechanischen Eigenschaften der 2-Phasen- und der 3-Phasen-Komposite ist nur sehr gering. Für den Großteil der Ergebnisse überschneiden sich die Standardabweichungen nahezu komplett. Weiterhin ist festzuhalten, dass die untersuchten Oberflächenmodifikationen eine Verschlechterung nahezu aller untersuchten mechanischen Eigenschaften bewirken. Am deutlichsten ist der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf Biege- und Zugmodul der 2-Phasen-Komposite. Insbesondere die langkettigen Karbonsäuren und APTES führen zu einem Absinken von Biege- und Zugmodul. Demnach geht eine verbesserte Prozessierbarkeit der aushärtenden Kompositgemische mit einer leicht verschlechterten mechanischen Performance der 2-Phasen- und der 3-Phasen-Komposite einher

Four-Step Domino Reaction Enables Fully Controlled Non-Statistical Synthesis of Hexaarylbenzene with Six Different Aryl Groups*

Hexaarylbenzene (HAB) derivatives are versatile aromatic systems playing a significant role as chromophores, liquid crystalline materials, molecular receptors, molecular-scale devices, organic light-emitting diodes and candidates for organic electronics. Statistical synthesis of simple symmetrical HABs is known via cyclotrimerization or Diels–Alder reactions. By contrast, the synthesis of more complex, asymmetrical systems, and without involvement of statistical steps, remains an unsolved problem. Here we present a generally applicable synthetic strategy to access asymmetrical HAB via an atom-economical and high-yielding metal-free four-step domino reaction using nitrostyrenes and α,α-dicyanoolefins as easily available starting materials. Resulting domino product—functionalized triarylbenzene (TAB)—can be used as a key starting compound to furnish asymmetrically substituted hexaarylbenzenes in high overall yield and without involvement of statistical steps. This straightforward domino process represents a distinct approach to create diverse and still unexplored HAB scaffolds, containing six different aromatic rings around central benzene core. © 2021 The Authors. Angewandte Chemie International Edition published by Wiley-VCH Gmb

A machine learning-based viscoelastic–viscoplastic model for epoxy nanocomposites with moisture content

In this work, we propose a deep learning (DL)-based constitutive model for investigating the cyclic viscoelastic-viscoplastic-damage behavior of nanoparticle/epoxy nanocomposites with moisture content. For this, a long short-term memory network is trained using a combined framework of a sampling technique and a perturbation method. The training framework, along with the training data generated by an experimentally validated viscoelastic-viscoplastic model, enables the DL model to accurately capture the rate-dependent stress–strain relationship and consistent tangent moduli. In addition, the DL-based constitutive model is implemented into finite element analysis. Finite element simulations are performed to study the effect of load rate and moisture content on the force–displacement response of nanoparticle/epoxy samples. Numerical examples show that the computational efficiency of the DL model depends on the loading condition and is significantly higher than the conventional constitutive model. Furthermore, comparing numerical results and experimental data demonstrates good agreement with different nanoparticle and moisture contents

Low Viscosity Nano-Resins for VARI- and RTM-produced Composite Structures

Lightweight structures play a central role in mobility. Thus, research and development of materials with high specific mechanical performance have always been essential. Carbon fiber-reinforced plastics (CFRPs) represent an important and still increasing part for applications in aircrafts. However, CFRPs are prone to matrix dominated properties such as impact strength or fiber parallel compressive strength. Nanotechnology opens new possibilities to improve these properties. A key challenge is the fabrication of nanomodified CFRPs. Vacuum assisted resin infusion (VARI) or resin transfer molding (RTM) processes are often-used fabrication methods for CFRPs. These processes are realized with low-viscosity resins, but nano-scaled additives strongly increase viscosity due to their high specific surface area. An effective way to compensate the increased viscosity is to apply surface-modifications to the additives. The effect of the surface modifier depends on properties like the length of the molecular chain or availability of functional groups

Optimierung des Polarisations- und Herrstellungsverfahrens von dünnschichtigen piezoelektrischen Folienhalbzeugen und deren elektro-mechanische Charakterisierung

This thesis deals with the optimization of the polarization and production process of thin piezoe-lectric foils and the electro-mechanical characterization of these foils. The foils are composed of piezoceramic particles, which are embedded in powder form in an epoxy matrix. The foils which are analyzed can be classified as piezoelectric 0-3 composites because the particles have no particular orientation in the resin matrix. In addition to the mentioned materials, carbon nanotubes will be dispersed in the epoxy resin to improve the dielectric properties of the resin matrix and achieve a better polarizability. Furthermore several experiments will be executed and evaluated to characterize the foils. Diese Arbeit befasst sich mit der Optimierung des Polarisations- und Herstellungsverfahrens von dünnschichtigen piezoelektrischen Folienhalbzeugen und deren elektro-mechanische Charakterisierung. Die Folienhalbzeuge bestehen aus piezokeramischen Partikeln, die in Form von Pulver in eine Epoxidharzmatrix eingebettet werden. Da die Partikel keine bestimmte Orientierung in der Harzmatrix besitzen, gehören die zu untersuchenden Folienhalbzeuge zu den piezoelektrischen 0-3 Kompositen. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Werkstoffen werden Kohlenstoff-Nanoröhren in das Epoxidharz dispergiert, um die dielektrischen Eigenschaften der Harzmatrix zu verbessern und somit eine bessere Polarisierbarkeit zu erzielen. Weiterhin werden verschiedene Versuche zur Charakterisierung der Folienhalbzeuge durchgeführt, ausgewertet und bewertet

Entwicklung und Charakterisierung von dünnschichtigen, elektromechanischen Folienhalbzeugen

This thesis deals with the fabrication and characterization of thin piezo-ceramic foils. These foils are composed of piezo-ceramic particles and epoxy resin. Furthermore carbon nanotubes in appropriate concentrations will be used to take an influence on the dielectric resin features. An approved axial pressing procedure will be applied for the fabrication of various foils concerning their percental composition in particular concerning the percental mass fraction of piezoceramic meterial. The fabricated foils will be cutted in specimen pieces of a suitable size. Subsequently the foils will be coated with an electrode material to evaluate their polarizability. The purpose of this thesis is the charactarization of the piezoelectric foils fabricated by the axial pressing procedure. To this end particular specimens will be polarized on a polarization test rig. Afterwards the associated hysteresis curves of the beforehand polarized specimen will be plotted. Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnschichtigen, piezokeramischen Folien. Diese Folien bestehen aus piezokeramischen Partikeln und Epoxidharz. Des Weiteren werden Kohlenstoff-Nanoröhren in entsprechenden Konzentrationen für die Beeinflussung der dielektrischen Harzeigenschaften verwendet. Für die Fertigung verschie-dener Folien bezüglich ihrer prozentualen Zusammensetzung, insbesondere bezüglich variierender prozentualer Gewichtsanteile des piezokeramischen Werkstoffes, wird ein bereits erprobtes axiales Pressverfahren angewendet. Die hergestellten Folien werden in Proben ange-messener Größe zerschnitten. Anschließend werden die Folien mit einem geeigneten Elektro-denmaterial beschichtet um die Polarisierbarkeit der Proben zu gewährleisten. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Charakterisierung der mittels des axialen Pressverfahrens hergestellten piezoke-ramischen Folien. Zu diesem Zweck werden einzelne Proben an einem Polarisationsversuchs-stand polarisiert. Anschließend werden die dazugehörigen Hysteresekurven der zuvor polarisierten Proben aufgezeichnet

Koronapolarisation dünnschichtiger piezoelektrischer Folienhalbzeuge

The polarization of piezoelectric materials can be realized with two different methods. On the one hand the polarization can be realized with the conventional D.C. poling and on the other hand with the Corona poling. This thesis deals with the topic of the Corona poling technique. Investigations shall show in which extension the Corona poling technique is suitable for the electric polarization of piezoelectric 0-0-3 composites. For this purpose different concepts of a Corona poling device for a continuous poling of thin piezoelectric composites were designed and transposed. With the help of the Corona poling it is possible to by-pass and/or avoid chal-lenges and problems of the conventional D.C. poling. Big advantages of the Corona poling in contrast to the conventional D.C. poling are for example a lower pre-preparation expenditure of the composites, which shall be polarized and the non-appearance of dielectric breakdowns, including the resulting damage of the composites. Moreover first poling experiments of piezoelectric 0-0-3 composites were carried out within the framework of this thesis. Die Polarisation von piezoelektrischen Materialien kann mit zwei verschiedenen Verfahren realisiert werden. Zum einen kann die Polarisation mit dem Gleichstromverfahren und zum anderen mit dem Koronaverfahren umgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema der Koronapolarisationstechnik. Untersuchungen sollen zeigen, in wie weit sich die Koronapolarisationstechnik zur elektrischen Polarisation von piezoelektrischen 0-0-3 Kompositen eignet. Zu diesem Zweck werden verschiedene Konzepte einer Koronapolarisationsanlage zur kontinuierlichen Polarisation von dünnschichtigen piezoelektrischen Kompositen konzipiert und umgesetzt. Mit Hilfe der Koronapolarisation ist es möglich Herausforderungen und Probleme der konventionellen Gleichstrompolarisation zu umgehen beziehungsweise zu vermeiden. Große Vorteile der Koronapolarisation gegenüber der konventionellen Gleichstrompo-larisation sind beispielsweise ein geringerer Vorbereitungsaufwand der zu polarisierenden piezoelektrischen Komposite und das Ausbleiben von elektrischen Durchschlägen, einschließlich der daraus resultierenden Beschädigung der Komposite. Weiterhin werden im Rahmen dieser Arbeit erste Polarisationsversuche von piezoelektrischen 0-0-3 Kompositen durchgeführt

Effect of Particle-Surface-Modification on the Failure Behavior of Epoxy/Boehmite CFRPs

This chapter deals with the effect of particle content (up to 15 wt%) and particle surface modification on the mechanical properties (tensile properties and fracture toughness) of epoxy/boehmite composites. Furthermore, the failure behavior of epoxy/boehmite carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) is investigated with compression after impact (CAI) tests at a constant fiber volume fraction of approximately 60 vol%. The CFRPs are fabricated by the Resin Transfer Moulding (RTM) method. To investigate the effect of particle-matrix-interaction, boehmite nanoparticles with different surface modifications (carboxylic acids and (3-aminopropyl)-triethoxysilane) are used. The epoxy/boehmite masterbatches used for the preparation of the specimens are characterized concerning particle sizes and surface loadings to ensure a comparability of the test results. The used masterbatches possess nearly the same size distributions and surface loadings. In addition viscosity measurements showed that the processability of the modified resins is strongly affected by modifying the surface of the boehmite particles. The mechanical tests show that the examined mechanical properties of the epoxy/boehmite composites as well as the failure behavior of the epoxy/boehmite CFRPs are mainly influenced by the filler content. The effect of particle surface modification is visible in particular for tensile modulus of the epoxy/boehmite composites. In addition, it is found that there is only a minor effect of surface modification on the compression strength after impact

Schlussbericht zum Verbundvorhaben HANNAH: Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau. Teilvorhaben: Experimentelle Charakterisierung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen unter realitätsnahen Umweltbedingungen.

Im Rahmen des Verbundprojektes HANNAH wurden innovative Materialsysteme für den Rotorblattleichtbau entwickelt und angewendet. Die untersuchten Materialsysteme umfassten nanomodifizierte Werkstoffe und Faser-Metall-Laminate (FML). Die Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte berücksichtigen sowohl praxisrelevante Fertigungsaspekte als auch die werkstoffliche Charakterisierung des Materialverhaltens unter realistischen Einsatzbedingungen. Im Vordergrund stand insbesondere die experimentelle und simulative Bestimmung optimierter Infusionsparameter und die Untersuchung der Materialeigenschaften in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehaltes und anwendungsrelevanter Temperaturen. Es zeigte sich, dass vor allem Feuchtigkeit und erhöhte Temperaturen Kennwertabnahmen für die untersuchten Materialsysteme bedingen, vermutlich aufgrund von Alterungseffekten, die aber im Vergleich zu den nichtmodifizierten Referenzwerkstoffen deutlich geringer ausfallen. Trotz der erkennbaren Auswirkungen der untersuchten Umwelteinflüsse, bleiben die überlegenen positiven Eigenschaften der neuen Materialsysteme erhalten. Durch die vielversprechenden experimentellen und simulativen Ergebnisse zu den entwickelten Werkstoffsystemen und Fertigungsmethoden konnten wertvolle Erkenntnisse erlangt werden, die Verwertungsperspektiven in der Windindustrie eröffnen