 | Kaps R. Kombinierte Prepag- und Infusionstechnologie für integrale Faserverbundstrukturen: Diss. … Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Braunschweig. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2010. - V, 174 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 2010-34). - ISSN 1434-8454
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Inhaltsverzeichnis............................................... I
Symbolverzeichnis .............................................. IV
Abkürzungen ..................................................... V
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Zielsetzung der Arbeit .................................. 2
1.2 Gliederung der Arbeit ................................... 2
2 Stand der Technik ............................................ 5
2.1 Matrixsysteme ........................................... 5
2.1.1 Thermoplastische Matrixsysteme ................... 5
2.1.2 Duroplastische Matrixsysteme ..................... 6
2.1.2.1 Schlagzähmodifikation
duroplastischer Matrixsysteme ........... 7
2.2 Basis-Fertigungstechnologien ............................ 9
2.2.1 Prepregtechnologie ............................... 9
2.2.2 Nasstechnologien ................................ 11
2.3 Integrale Fertigungsverfahren für Strukturbauteile
aus Faserverbundwerkstoffen ............................ 13
2.3.1 Cocuring Technologien ........................... 15
2.3.2 Coinjection Technologie ......................... 16
2.3.3 Cobonding Technologien .......................... 16
2.3.4 Kombinierte Nasswickel- und
Prepregtechnologie .............................. 17
3 Kombinierte Prepreg- und Infusionstechnologie ............... 18
3.1 Prinzipielle Verfahrensbeschreibung .................... 20
3.2 Technologieerweiterung unter Verwendung von
Barrierefolien ......................................... 23
3.3 Wissenschaftliche Problemstellungen zur CPl-
Technologie ............................................ 26
4 Einfluss von Prozessparametern auf die Bildung und die
Eigenschaften der Übergangszone eines CPI-Laminats .......... 28
4.1 Materialauswahl und Auswahl expliziter
Prozessparameter ....................................... 28
4.2 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der
Übergangsbereiche ...................................... 30
4.2.1 Porengehalt im Übergangsbereich ............ 31
4.2.2 Scherfestigkeit im ILS- und Zug-Scherversuch .... 32
4.2.3 Ermittlung der lagenabhängigen kritische
Energiefreisetzungsrate Gc ...................... 34
4.2.4 Ermittlung der kritischen
Energiefreisetzungsrate GIC unter Variation
der Voralterung des Prepreganteils einer
CPl-Probe ....................................... 36
4.3 Mikroskopische Analyse der Fließeffekte in der
Übergangszone .......................................... 39
4.3.1 Fluoreszenzmikroskopische Analyse der
Harzverteilungen ................................ 39
4.3.2 Verifizierung der Matrixharzverteilung in den
Übergangszonen mittels EDX ...................... 43
4.3.3 Analyse der Harzübergangszonen geprüfter
GC-Proben mittels EDX ........................... 44
4.4 Diskussion der Ergebnisse .............................. 46
5 Kompatibilitätsbetrachtungen zu den kombinierten
Matrixharzen ................................................ 47
5.1 Analysen von Bruchoberflächen .......................... 47
5.1.1 Beschreibung der morphologischen Strukturen
des Harzübergangsbereiches ...................... 48
5.1.2 Bruchmechanische Beurteilung der
morphologischen Strukturen ...................... 52
5.1.3 Analyse von Bruchflächen im Laminat ............. 55
5.2 Diffusionseffekte im Kontaktbereich der Matrixharze
in Reinharzproben ...................................... 57
5.2.1 Diffusive Beweglichkeit der Inhaltsstoffe ....... 57
5.2.2 Mikroindentationsversuche ....................... 58
5.2.3 Analyse der Diffusionseffekte des
Übergangsbereiches mit Hilfe der EDX ............ 61
5.2.4 Abschätzung der durch Diffusion der
Matrixkomponenten entstandenen lokalen
Abweichungen vom stöchiometrischen Verhältnis ... 63
5.2.4.1 Ermittlung der Diffusionsprofile der
Harzbestandteile ....................... 64
5.2.5 Ergebnisse und Diskussion der
Diffusionsprofile ............................... 69
6 Auswirkung des Prozessablaufs auf die lokalen
Faservolumengehalte ......................................... 73
6.1 Darcy's Law ............................................ 77
6.2 Einflussgrößen der Differenzialgleichung ............... 79
6.2.1 Faserspannung in Abhängigkeit vom
Faservolumengehalt .............................. 79
6.2.2 Permeabilität in Abhängigkeit vom
Faservolumengehalt .............................. 84
6.2.3 Beschreibung der Reaktionskinetik des
verwendeten Prepregharzsystems .................. 86
6.3 Validierung der Simulationsergebnisse im Versuch ....... 90
6.4 Anwendung der Simulation ............................... 92
6.5 Bestimmung eines Prozessfensters aus den
Simulationsergebnissen ................................. 96
7 Ermittlung geeigneter Barrierefolien für
F-CPI-Prozesse .............................................. 99
7.1 Lösungsverhalten von thermoplastischen Kunststoffen
durch Epoxydharze ...................................... 99
7.2 Bestimmung der Schälfestigkeiten GIC mit
verschiedenen Folienvarianten ......................... 100
7.3 Untersuchung der prozesstechnischen Eigenschaften
der Thermoplastfolien ................................. 101
7.4 Diskussion der Ergebnisse ............................. 102
8 Nachweis der wissenschaftlichen Konzepte durch Fertigung
und Test von Strukturdemonstratoren ........................ 107
8.1 Stringerversteifte Schalen ............................ 107
8.2 Kleindemonstratoren in F-CPI Technologie .............. 109
8.3 Türausschnittsversteifung ............................. 111
8.3.1 Auswertung des Fertigungsversuches ............. 113
8.4 Statische Bruchversuche an Biegeträgern
(Kastenholme) ......................................... 114
8.4.1 Auslegung der Versuchsbiegeträger .............. 117
8.4.2 Herstellung der Biegeträger .................... 118
8.4.3 Versuchsdurchführung ........................... 119
8.4.4 Versuchsauswertung und Diskussion .............. 120
8.5 Diskussion ............................................ 123
9 Zusammenfassung ............................................ 124
9.1 Zusammenfassung der Ergebnisse ........................ 124
9.2 Ausblick .............................................. 126
Literatur .................................................. 128
Anhang A: Modifikation von Epoxydharzen ....................... 136
A.l Bruchmechanismen zur Steigerung der Risszähigkeit ..... 136
A.2 Phasenseparation von Polymerblends .................... 140
A.2.1 Thermodynamischer Zustand binärer
Polymermischungen .............................. 140
A.2.2 Vorgang der Entmischung im Phasendiagramm ...... 143
A.2.3 Einschränkungen der Morphologie durch
eingrenzende Oberflächengeometrien ............. 147
A.2.4 Zusammenfassung der Maßnahmen zur für das
Toughening von Matrixharzen .................... 149
Anhang B: Prüfverfahren und Fertigungstechniken ............... 152
B.l Energy Dispersive X-Ray (EDX) Analysis ................ 152
B.2 Dynamische Differenz Kalorimetrie (DSC) ............... 153
B.3 Probenpräparation mittels Ultramikrotom und
Analyse imTEM ......................................... 154
B.4 Vakuumaufbau mit zwei Vakuumfolien .................... 154
B.5 Bestimmung der kritischen Energiefreisetzungsrate
GIC ................................................... 156
Anhang C: Prozessanalyse und Simulation ....................... 159
C.1 Kapillarkräfte ........................................ 159
C.2 Modellbildung für die Fließsimulation ................. 163
C.2.1 Finite Differenzen Methode ..................... 167
C.2.2 Berücksichtigung des Übergangs der
Harzviskositäten von Prepreg- zu
Infusionsbereich ............................... 169
C.2.3 Programmtechnische Behandlung gleichzeitig
stattfindender Infusion und Ausbluten des
Prepregs ....................................... 171
Anhang D: Datenblätter und externe Informationen .............. 174
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