Curing Simulations of a Fibre-Reinforced Thermoset on a Micro- and Nano-Scale
Creators: name: Schwab, Felix Konrad
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Fibre-Reinforced Polymers
Phase-Field
Molecular Dynamics
Curing Process
Fracture Mechanics

description: Die Eigenschaftskombination hoher Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Massendichte rückt die Materialklasse der faserverstärkten Polymere generell stärker in den Fokus von Mobilitätsanwendungen und bewegten Massen. Nachteilig an der Kombination von steifen Fasern und einer zähen, leichten Polymermatrix erweist sich oft die Verwendung unterschiedlicher Materialtypen. Die in dieser Arbeit verwendete Paarung des glasfaserverstärkten Duromers zeichnet sich speziell durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und die chemische Aushärtereaktion des Duromerharzes aus. Da der Produktionsprozess eines Bauteils aus glasfaserverstärktem Duromer oft bei erhöhter Temperatur stattfinden muss, um entweder die chemische Vernetzungsreaktion zu aktivieren oder zu beschleunigen, erfährt jedes Bauteil thermische Dehnungen und chemischen Schwund. Diese Dehnungen ändern sich nochmals, sobald sich das Bauteil auf Raumtemperatur abkühlt, bleiben aber grundsätzlich aufgrund der Bindung zwischen Fasern und Matrix erhalten. Durch diesen Eigendehnungszustand werden Verzug und lokale Eigenspannungen induziert, wobei sich insbesondere lokale Spannungsspitzen an der Faser-Matrix-Grenzfläche und an den Faserenden ausbilden können. Diese innere Vorbelastung kann eine Vorschädigung des Bauteils in Form von Mikrorissen verursachen, wodurch insgesamt die Bauteileigenschaften und -belastbarkeit herabgesetzt werden. Ein besseres Verständnis der Aushärteprozesse und des Einflusses unterschiedlicher Prozessparameter auf das induzierte Eigendehnungsfeld ist daher unerlässlich, um die effektive und verlässliche Einsetzbarkeit von faserverstärkten Duromeren zu erhöhen. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Modellierung und Simulation des Aushärteprozesses und der Aushärtereaktion von faserverstärkten Duromeren. Hierbei wird der Fokus skalenübergreifend auf die Mikrostruktur und auf die Molekularebene gelegt, und die Auswirkungen der Aushärtung auf der jeweiligen Skala untersucht. Auf Mikrostrukturebene wird die rechnergestützte Phasenfeldmethode zur Darstellung von Faser-Matrix-Strukturen verwendet, und darauf aufbauend ein Modell zur Beschreibung der mechanischen, thermischen und chemischen Effekte während eines Aushärteprozesses abgeleitet. Weiterhin wird die Rissausbreitung innerhalb faserverstärkter Mikrostrukturen modelliert und ebenfalls mithilfe der Phasenfeldmethode umgesetzt. Hiermit wird ein Beispielprozess simuliert und dessen Verlauf ausgewertet und diskutiert. Die Entwicklung von lokalen Eigendehnungs- und Eigenspannungszuständen bildet hierbei einen Fokus dieser Arbeit. In einem weiteren Schritt wird überprüft, ob diese lokalen Spannungen in eine Mikroriss-Ausbreitung münden. Diese mikroskaligen Betrachtungen werden durch rechnergestützte Molekulardynamiksimulationen auf der Nanoebene begleitet. Die chemische Aushärtereaktion eines Duromers wird hierbei durch Algorithmen zur Herstellung und Auflösung chemischer Bindungen nachgestellt, und so die Aushärtereaktion anhand von Materialkenngrößen wie Volumenschwund nachvollzogen und diskutiert. Die hierdurch erzeugten Polymernetzwerke dienen dann der Berechnung von temperatur- und aushärtegradabhängigen Materialeigenschaften, welche zur Durchführung der Prozesssimulation auf der Mikroebene benötigt werden.