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Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2022

The printed version includes ISBN 978-3-8440-8805-2., Der nachwachsende und Kohlenstoffdioxid speichernde Rohstoff Holz nimmt nach einer langen Periode abnehmender Relevanz im Bauwesen aktuell eine zunehmend zentralere Rolle ein. Dabei ist der Werkstoff Holz einerseits regenerativ aber andererseits nicht unbegrenzt verfügbar. Ein ressourcenschonender Umgang mit Holz ist somit anzustreben. Besonders effizient, materialgerecht und architektonisch ansprechend sind stabförmige Holztragwerke, wie beispielsweise Fachwerkträger oder Rahmenbaukonstruktionen. Kritisch und im Regelfall querschnittsbestimmend sind die Verbindungsbereiche solcher Konstruktionen. Metallische Verbindungsmittel, wie Bolzen, Nägel oder Schrauben leiten die Beanspruchungen punktuell und gegenüber dem Holz nicht materialgerecht ein. Geklebte Verbindungen sind materialgerecht und daher hoch tragfähig, können im Regelfall jedoch nicht auf der Baustelle ausgeführt werden. In der Folge erfordern geklebte Konstruktionen große Transportkapazitäten und werden durch diese begrenzt. Nageplattenverbindungen kombinieren die Nachteile von metallischen Verbindungsmitteln und Klebung. In dieser Arbeit werden zwei Verbindungstechnologien untersucht, die eine für den Werkstoff Holz materialgerechte Lasteinleitung ermöglicht und gleichzeitig eine einfache Montage auf der Baustelle erlauben. Wesentliche Entwicklungskriterien dieser Arbeit waren zudem auf Querschnittsvergrößerungen im Verbindungsbereich weitestgehend zu verzichten und die Tragfähigkeit des angeschlossenen Holzquerschnitts durch die neuartigen Verbindungen vollständig zu aktivieren. Die erste hier behandelte Verbindungstechnologie wurde für eine zugbeanspruchte Verbindung entwickelt. Das Tragkonzept sieht eine Lastübertragung von einem Holzquerschnitt zu einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) mittels quasi starrer Klebung vor. Im Anschluss wird die Belastung mittels Schlaufenausbildung materialgerecht vom GFK in einen Stahlbolzen überführt. Der Stahlbolzen ermöglicht eine leichte Baustellenmontage. Neben theoretischen Untersuchungen der Teilaspekte Lastübertragung Holz-GFK und GFK-Bolzen werden versuchsgestützte Untersuchungen durchgeführt. Abschließende Bauteilversuche bestätigen die theoretischen Betrachtungen, dass dieses Zugschlaufenkonzept die volle Tragfähigkeit eines Holzquerschnitts auf kompaktem Raum übertragen kann, ohne dass wesentliche Querschnittsaufweitungen notwendig werden. Die zweite vorgestellte Verbindungstechnologie ist für Stäbe mit einer kombinierten Belastung aus Biegung und Druck oder Zug entwickelt worden. Analog zu der Zugverbindung ist auch die Biegeverbindung zweiphasig konzipiert. In einem ersten Schritt wird die Beanspruchung für das Holz materialgerecht mittels Klebung in einen GFK-stabbewehrten Polymerbetonquerschnitt überführt. Der zweite Schritt stellt eine baustellenseitig montierbare und materialaffine Verzahnungsverbindung von Polymerbeton zu Polymerbeton dar. Für die Umsetzung dieser Verbindungstechnologie wurde auf Basis des bauaufsichtlich zugelassenen Polymerbetons Compono® eine eigene Polymerbetonrezeptur entwickelt und das Tragverhalten mit und ohne GFK-Bewehrung unter Druck-, Zug- und Biegebeanspruchung versuchsgestützt bestimmt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde die geklebte Verbindung von Holz und Polymerbeton theoretisch analysiert und die daraus entwickelte bewehrte Keilzinkenverzahnung Versuchen unterzogen. Im Anschluss wird die montierbare Verzahnungsverbindung aus Polymerbeton vorgestellt und mit Stabwerkmodellen vorbemessen. Die abschließenden Versuche an der Verzahnung verifizieren das hohe Tragpotential der Verbindung. In dem letzten Kapitel dieser Arbeit wird ein Materialmodell zur rechnerische Abschätzung des Elastizitätsmoduls von Polymerbetonen basierend auf den Materialkennwerten und prozentualer Zusammensetzung seiner Bestandteile vorgeschlagen. Im Ergebnis lehnt sich das Modell an das Materialmodell für zementgebundene Betone von Teddy J. Hirsch aus dem Jahr 1962 an. Hirschs Modell gibt den Elastizitätsmodul von Normalbetonen ausreichend genau wieder, unterschätzt jedoch, bedingt durch die hohen Zuschlaganteile, den Elastizitätsmodul bei Polymerbetonen systematisch. Das eigene vorgeschlagene Modell beruht auf einem anderen mechanischen Ansatz. Aus diesem alternativen Ansatz heraus wird die empirisch ermittelte Konstante Z in Hirschs Modell durch einen materialanteilabhängigen Parameter ersetzt., After a long period of decreasing relevance for the construction industry, timber, a renewable and carbon dioxide storing material, is currently playing an increasingly central role. The material timber is on the one hand regenerative but on the other hand not available in unlimited quantities. A resource-saving use of timber is therefore desirable. Bar-shaped timber structures, such as truss or frame structures, are particularly efficient, appropriate to the material and architecturally appealing. The connecting areas in such constructions are critical and usually determine cross-section sizes. Metallic fasteners like bolts, nails or screws introduce high stresses into small areas, which is not appropriate to the material. Glued connections are generally suitable for the material timber and therefore have a high load-bearing capacity, but usually cannot be manufactured on the construction site. As a result, glued timber structures require large transport capacities and are limited by them. Nail plate connections combine the disadvantages of metallic fasteners and gluing. In this thesis, two new connection technologies are investigated, which enable a material-appropriate load application into timber and at the same time allow simple assembly on the construction site. A central development criterion of this work was to avoid enlargement of the cross-section in the connection area and to fully activate the load-bearing capacity of the connected timber cross-section through the connections. The first connection technology discussed in this thesis was developed for a tensile loaded connection. The general concept provides a load transfer from the timber cross-section to a glass fiber reinforced plastic (GRP) via a quasi-rigid adhesive of both materials. In the next step the load is transferred from the GRP to a steel bolt using a loop connection. The steel bolt enables an easy on-site assembly of the whole connection. In addition to theoretical investigations of the partial aspects of load transfer between timber and GRP as well as GRP and the steel bolt, test-based investigations were carried out. Final component tests confirm the theoretical considerations that this loop connection concept can bear the full load-bearing capacity of a timber cross-section in a compact space without the need for significant cross-sectional enlargement in the connection. The second connection technology presented has been developed for bars with a combined load from bending with a possible additional compression or tensile load. Similar to the first connection, the bending connection is also designed to be two-phase. In a first step, the load transferred from a timber section into a GRP-rod-reinforced polymer concrete cross-section in accordance with the material by means of gluing. In a second step an interlocking teeth connector transfer the load between two polymer concrete elements, which can be assembled on-site. For the implementation of this connection technology a modified polymer concrete, based on the building authority approved polymer concrete Compono®, was developed. The load-bearing behavior of this modified polymer concrete was tested with and without GRP reinforcement under pressure, tension and bending load. Based on the knowledge gained by these tests, a glued connection of timber and polymer concrete was theoretically analyzed and the GRP-reinforced finger jointing developed from it was subjected to tests. Including these results, the interlocking teeth connection made of polymer concrete has been developed and pre-designed with a strut and tie model. Concluding tests on the interlocking teeth connector verify the high load-bearing potential of the connection. In the last chapter of this thesis, a material model is proposed for an estimation of the Young's modulus of polymer concrete. The model bases on the material properties and the percentage composition of the polymer concrete components. As a result, the model seems similar to the material model for cement-based concretes by Teddy J. Hirsch from 1962. Hirsch's model reproduces the Young's modulus of cement-based concrete with sufficient accuracy, but systematically underestimates the Young’s modulus of polymer concrete due to their high content of aggregates. The proposed model is based on a different mechanical approach than Hirsch's. With this alternative approach, a empirically determined constant Z in Hirsch's model is replaced by a mechanical founded parameter that depends on the material content of the polymer concrete components.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu bei-tragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzie-ren und damit die Lebensdauer zu erhöhen. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eine wichtige Komponente zur Auslegung von Bauteilen ist, sind in der Literatur bisher einige we-sentliche Forschungsfragen offengeblieben. Erstens ist bisher ungeklärt, welchen Einfluss die Herstellungs¬temperatur und damit Morphologie der Fasern auf die transversale Wärmeleit-fähigkeit hat. Zweitens wurden in den letzten Jahren erste Ansätze zur Modifikation der Kunststoffmatrix mit leitfähigen Füllstoffen aufgezeigt, jedoch nicht systematisch untersucht. Drittens wurden bereits vor einigen Jahrzehnten Faserverbundwerkstoffe mit metallbe-schichteten Fasern untersucht; es wurden aber nur Faservolumengehalte von maximal 30 Vol.-% erreicht. Und viertens wurden die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien in der Literatur bisher nur oberflächlich betrachtet, sind jedoch für die konstruktive Auslegung und damit für den Transfer in die industriellen Anwendungen von Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die wesentlichen Einflussparameter auf die Wärme-leitfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen, welche aus Kohlenstoff¬fasern und Epoxid¬harzen bestehen, zu analysieren. Zunächst wird der Einfluss der Herstellungstemperatur der Fasern auf die Wärme¬leitfähigkeit untersucht. Es ist bereits bekannt, dass die Herstellungstemperatur zu einem Wachstum der graphitischen Lamellen führt. Auch ist bekannt, dass die Herstellungstemperatur Zugmodul und Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung beeinflusst. In dieser Arbeit kann jedoch erstmalig gezeigt werden, dass die erhöhte Herstellungstemperatur auch zu einem Anstieg der trans-versalen Wärmeleitfähigkeit führt. Anschließend werden Faserverbundwerkstoffe mit einer graphitmodifizierten Epoxidharz-matrix untersucht. Hierbei kann eine deutliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Ver-bunde transversal zur Faser um 55 % als auch in Faserrichtung um 67 % erzielt werden. Fer-ner wird gezeigt, dass mit dem Einsatz von metallbeschichteten Fasern die transversale Wärmeleitfähigkeit des Faserverbunds auf das 5-fache und in Faserrichtung auf das 6,6-fache gesteigert werden kann. Bisher wurden in der Literatur die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstof-fen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit meist vernachlässigt. Dabei sind diese für die Entwick-lung praktischer Anwendungen unerlässlich. Der Zusatz von Graphit zur Matrix führt zu einer Abnahme der Verbundfestigkeit, das Biegemodul hingegen steigt. Die bruchmechanischen Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz der graphitmodifizierten Matrix mit einem Anstieg der Bruchzähigkeit in Mode I, jedoch einen Abfall in Mode II, einhergeht. Der Einsatz der Me-tallbeschichtung führt zu einem signifikanten Abfall der Biegefestigkeit und des Biegemoduls.

Dynamic mechanical analysis is a technique used to determine the viscoelastic properties of polymers and their composites. The storage modulus, loss modulus and loss factor in correlation with the glass transition temperature can be detected by several means. In this study, these properties are determined using a dynamic mechanical analyzer in 3-point bending mode, as well as a rheometer in torsion mode. The materials under consideration are a unidirectional glass fiber-reinforced epoxy, a quasi-isotropic carbon fiber-reinforced epoxy and a quasi-isotropic glass fiber-reinforced epoxy. The results of each method and material are presented and the advantages and limitations of each method are discussed. 3-point bending proved to be more suitable to detect the effect of fiber orientation for unidirectional fiber-reinforced epoxy but requires careful control of sample dimensions for accuracy. Torsion, on the other hand, gave consistent measurements for samples of varying lengths, proving to be a suitable method if materials are scarce and limited.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Haftverbundes zwischen bestehenden Betonflächen und neu hergestellten Aufbetonschichten. Insbesondere sollen die Einflüsse der Herstellungstemperaturen auf die Festigkeit von Epoxidharzhaftbrücken untersucht werden. Epoxidharz ist von -20 °C bis +60 °C relativ gleichmäßig fest. Noch nicht untersucht sind hingegen die Einflüsse verschiedener Herstellungstemperaturen. Im Zuge dieser Arbeit wurden bei den Temperaturen + 5 °C, +15 °C, +25 °C, +35 °C, +45 °C und +55 °C Aufbetonschichten auf bestehende Betonplatten mit einer Epoxidharzbrücke aufgebracht und deren Verbund mit verschiedenen Methoden untersucht. Die theoretische Grundlage über den aktuellen Wissenstand bzw. über den Stand der Technik wurde durch Recherchen in diverser Literatur geschaffen, die als Basis der zu untersuchenden Fragestellung verwendet wird. Beginnend mit den Kapiteln über die Maßnahmen der Untergrundvorbehandlung, werden außerdem die Anforderungen an die Betonoberflächen beleuchtet. Das darauffolgende Kapitel beschäftigt sich mit den Methoden zur Bestimmung der Rauigkeit von Betonoberflächen, die als Grundlage für die Versuchsdurchführungen dienen sollen. Weiters wird das Materialverhalten, speziell das Bruchverhalten von Beton, beschrieben. Zum Abschluss der Literaturrecherche werden die Grundlagen und die Abhängigkeiten der Herstellungstemperaturen von Reaktionsharzen und Zementen zusammengestellt, die das Verhalten des Epoxidharzes im Zuge der Eigenversuche verständlich machen sollen. Die Versuchsvorbereitung, bestehend aus der Probenherstellung und der dazugehörigen Oberflächencharakterisierung wird im Kapitel 3 behandelt. Im Zuge der Hauptversuche werden Haftzug-, und Keilspaltversuche angewendet, deren Ergebnisse in einer anschließenden Ergebnisauswertung mit Hilfe von Diagrammen und Tabellen veranschaulicht werden. Zum Abschluss der Arbeit folgt eine Conclusio, die das Ergebnis und einen Ausblick für die Zukunft liefern soll. This thesis deals with the experimental investigation of the adhesive bond between existing concrete surfaces and newly manufactured concrete layers. In particular, the influences of the manufacturing temperatures on the strength of epoxy resins should be examined. Epoxy resin is relatively, evenly solid from -20 °C to +60 °C. In comparison, the influences of various manufacturing temperatures have not yet been investigated. In the course of this work, at temperatures of + 5 °C, +15 °C, +25 °C, +35 °C, +45 °C and +55 °C concrete layers were applied with an epoxy resin bridge to existing concrete slabs and their bond was examined with different methods. The theoretical background for the current state of knowledge or the current state of technology was created through research in various literature, which is used as the basis for the research question. Starting with the chapters on the measures of the substrate pre-treatment, the requirements for the concrete surfaces are also investigated. The following chapter deals with the methods for the determination of the roughness of concrete surfaces, which should serve as the basis for the performance of the experiment. The material behavior, especially the fracture behavior of concrete, is also described. At the end of the literature research, the fundamentals and the dependencies of production temperatures of reactive resins and cements are compiled, which are intended to explain the behavior of the epoxy resin in an understandable manner in the course of our own experiments. The test preparation, consisting of sample production and the associated surface characterization, is dealt with in Chapter 3. In the course of the main tests, shear, adhesive tension and wedge gap tests are used, which are illustrated in a following evaluation of the results with the help of diagrams and tables. At the end of the work, a conclusion describes the result and should also provide an outlook for the future. vorgelegt von: Marijan Tomic Auch als Printexemplar verfügbar Masterarbeit Wien, FH Campus Wien 2020

Faser-Verbund-Werkstoffe ermöglichen Leichtbautragstrukturen, welche mit konventionellen Werkstoffen nicht umsetzbar sind. Deren Großserienfertigung ist allerdings auch heute noch eine große Herausforderung. Aufgrund des hohen Kostendrucks gilt dies insbesondere für den Automobilbau. Hinderlich wirken zum einen die hohen Materialkosten bei Verwendung von Kohlenstofffasern, und zum anderen die im Vergleich zu Stahlwerkstoffen lange Zykluszeit in der Bauteilfertigung. Eine Lösung für Letzteres stellen hochreaktive, schnellhärtende Matrixwerkstoffe in Verbindung mit modernen Harzinjektionsprozessen dar. Durch die schnelle Aushärtung können Zykluszeiten reduziert und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert werden. Die Beschleunigung der Prozessabläufe erschwert allerdings die Auslegung des Prozesses, da z.B. das mögliche Zeitfenster für die Realisierung der Formfüllung deutlich verkürzt wird. Die Findung einer optimalen Prozessführung erfordert unter diesen Bedingungen ein großes Erfahrungswissen. Dessen Generierung wird durch das Ablaufen des Prozesses innerhalb des geschlossenen Werkzeugs, und damit im Verborgenen, gehemmt. An dieser Stelle greift die Prozesssimlation an, welche einen detaillierten Einblick in die Abläufe der einzelnen Prozessschritte ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wird daher der Aushärteprozess des Matrixwerkstoffs mithilfe von Strömungs- und Struktursimulationen begleitet. Neben der Entwicklung von geeigneten Materialmodellen, wird auch die Ermittlung von notwendigen Kennwerten vorgestellt. Der Einfluss der Aushärtung beginnt mit dem Vermischen der Harzkomponenten am Anguss des Injektionswerkzeugs. Von diesem Zeitpunkt an ergibt sich die für das Fließverhalten der Matrix charakteristische Viskosität aus der wirkenden Temperatur und dem erreichten Aushärtegrad. Die akkurate experimentelle Charakterisierung dieses wichtigen Zusammenhangs ist eine Grundvoraussetzung für aussagekräftige Simulationsergebnisse. Die hohe Reaktivität der verwendeten schnellhärtenden Harze fordert allerdings etablierte Methoden heraus. Durch deren Trägheit ist eine zuverlässige Messung der Viskosität während des für die Formfüllung wichtigen Zeitfensters erschwert. Um dieses Problem zu lösen, wird eine automatisierte Lösung zur Herstellung sowie Einbringung von Proben in ein Rheometer entwickelt. Hierdurch kann ein Großteil des prozessrelevanten Zeitfensters in der anschließenden Messung erfasst werden. Da diese Daten für die Parametrierung von Viskositätsmodellen herangezogen werden, ergibt sich ein großes Fehlerpotential, wenn unzureichende Informationen zum Verlauf der Viskosität während der Dauer der Formfüllung vorliegen. Dies wird in der vorliegenden Arbeit mittels Formfüllsimulationen einer komplexen Unterbodenstruktur demonstriert, welche einen signifikanten Einfluss auf den Verlauf und die Höhe des Kavitätsdrucks aufzeigen. Diese Erkenntnis ist daher insbesondere für die Simulation von druckgeregelten Prozessen, wie z.B. Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM), von großer Wichtigkeit. Im weiteren Verlauf der Aushärtung findet ein Übergang der Matrix von einem Fluid zu einem Feststoff statt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Gelpunkt definiert. Ist dieser überschritten, ist der Werkstoff in der Lage Kräfte zu ertragen. Daher führen prozessinduzierte Dehnungen, aufgrund von chemischer Schwindung oder Temperaturänderung, ab diesem Zeitpunkt zu Eigenspannungen. Nach Entformung des Bauteils führen diese schließlich zu Gestaltsabweichungen, welche die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen und somit zu erhöhtem Ausschuss führen können. Die Vorhersage des Bauteilverzugs mithilfe von Simulation ist daher eine wichtige Voraussetzung, um dies zukünftig, bspw. durch eine Anpassung der Werkzeuggeometrie, zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit werden die zugrundeliegenden Mechanismen und deren Wechselwirkung mit Prozessrandbedingungen analysiert. Für die numerische Berechnung des Verzugs werden zudem elastische sowie viskoelastische Materialmodelle parametriert und in Form von Subroutinen implementiert. Die Ergebnisse werden anhand von L-Winkel-Proben experimentell validiert. Zusätzlich wird auch hier wieder die komplexe Unterbodenstruktur als praxisrelevantes Anwendungsbeispiel herangezogen. Eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Simulation wird dabei immer dann erzielt, wenn die Entformung der Bauteile ohne das Aufbringen von nennenswerten Kräften möglich ist. Ist dies nicht vermeidbar, ergeben sich zum Teil große Abweichungen, welche zudem vom Laminataufbau abhängen. Hier gilt es zukünftig anzusetzen, um sowohl die Prognosegüte als auch die Zuverlässigkeit der Prozesssimulation weiter zu erhöhen.

Bauteile aus Stahl- oder Spannbeton zeigen oftmals Defizite oder Schäden, die zu der Notwendigkeit einer Verstärkungsmaßnahme führen. In diesem Fall ist die Verstärkung und Instandsetzung mit aufgeklebten CFK-Lamellen eine häufig angewandte Methode. Die CFK-Lamellen werden hierbei als ergänzendes Zugglied für ein Stahlbetonbauteil mit Klebstoff auf die entsprechende Oberfläche appliziert. Als Klebstoff wird derzeit meist Epoxidharz verwendet, das sich durch hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte sowie gute Adhäsion auszeichnet. Dies resultiert in einem äußerst spröden Verbundverhalten der geklebten CFK-Lamellen. Bei Rissöffnung stellen sich am Rissufer Spannungskonzentrationen in der CFK-Lamelle ein -- in Folge dessen kommt es zu einer Entlastung der einbetonierten und einer Überbelastung der aufgeklebten Bewehrung. Aufgrund der ungleichmäßigen Kraftaufteilung kann nicht von einem kompatiblen Verstärkungssystem gesprochen werden. Weiterhin führt die Verwendung des Epoxidharzes zu deutlichen Einschränkungen in der Anwendung solcher Verstärkungsmaßnahmen. Zu nennen sind hierbei vor allem die geringe Widerstandsfähigkeit gegen erhöhte Temperaturen und Ermüdungsbelastungen. In dieser Arbeit wird diese Verstärkungsmethode grundlegend modifiziert. Das hierbei entwickelte und untersuchte Verstärkungssystem unterscheidet sich durch den verwendeten Klebstoff von den derzeit üblichen Systemen. Der auf Polyurethan-Basis hergestellte Klebstoff bildet eine deutlich weichere bzw. elastischere Klebschicht aus. Durch entsprechende Definition der Festigkeiten und Verformungsfähigkeiten der Klebschicht wird das Verbundverhalten der aufgeklebten dem der einbetonierten Bewehrung angenähert. Hierdurch ergibt sich über alle Beanspruchungszustände eine gleichmäßige Zugkraftaufteilung -- durch die Angleichung der Verbundsteifigkeiten entsteht ein kompatibles Verstärkungssystem. Das System ist durch die Ausweitung des linear-elastischen Verbundverhaltens in der Lage, Ermüdungsbelastungen deutlich besser abzutragen. Durch die Formulierung des Klebstoffes auf Polyurethan-Basis werden weitere kritische Punkte wie Wärmebeständigkeit implizit verbessert. Der Einfluss der Klebschichtsteifigkeit auf das Verbund- und Interaktionsverhalten der geklebten Bewehrung bzw. der beiden Bewehrungsstränge wird in dieser Arbeit zunächst numerisch untersucht. Hierzu werden Untersuchungen auf Verbund- und auf Bauteilebene durchgeführt. Den Kern der Arbeit bilden die weiterhin durchgeführten experimentellen Untersuchungen auf \linebreak Material-, Haftzug-, Verbund- und Bauteilebene. Auf Verbundebene wird im Rahmen von Endverankerungsversuchen systematisch der Einfluss der Klebschichtsteifigkeit und -geometrie auf das Verbundverhalten der geklebten Bewehrung untersucht. Die Ermittlung der \linebreak Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung erfolgt durch die Verwendung faseroptischer Sensoren. Das Ergebnis ist ein eigener Verbundansatz, der die untersuchten Einflussfaktoren berücksichtigt. Auf Bauteilebene werden Vier- und Dreipunkt-Biegeversuche an verstärkten Stahlbetonbalken durchgeführt. Die verbesserte Interaktion der Bewehrungsstränge kann durch die Ermittlung der Verbundkoeffizienten der CFK-Lamelle gezeigt werden. Bei der Verwendung des neu entwickelten Klebstoffes wird eine Vereinfachung des Nachweisformates ermöglicht. Weiterhin ergeben sich positive Effekte wie gesteigerte Tragfähigkeit und Aufrechterhaltung des Verformungsvermögens bzw. der Duktilität.

In der vorliegenden Studienarbeit im Rahmen des Masterstudiums der Luft- und Raumfahrttechnik wird ein Sensor zur Feuchtigkeitsmessung in Klebschichten und Faserverbundschichten auf Basis von Epoxidharz mittels des kapazitiven Effekts quantifiziert. Zu diesem Zweck wird eine Schicht Filmklebstoff respektive Faserverbundmaterial zur Verbindung zweier Metallplatten verwendet; das zu untersuchende Material befindet sich so zwischen zwei elektrischen Leitern und die Baugruppe bildet einen Plattenkondensator. Mithilfe des kapazitiven Effekts können für verschiedene Feuchtigkeitsanteile in der Klebschicht unterschiedliche Kapazitäten gemessen werden. Die Baugruppe dient somit als Feuchtigkeitssensor.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von nanostrukturierten Hybridmaterialen. Dabei wird das Prinzip der Zwillingspolymerisation um die Reaktion von aminofunktionalisierten Zwillingsmonomeren mit Epoxiden erweitert, wodurch ein Zugang zu ternären Hybridmaterialien möglich ist. Durch den Einsatz eines aminofunktionalisierten Zwillingsmonomers werden verschiedene multifunktionelle Epoxide mit der Zwillingspolymerisation kombiniert und hinsichtlich ihrer Struktur, ihres Reaktionsverhaltens und ihrer thermischen Beständigkeit sowie ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Anwendung dieser organisch/anorganischen Hybridmaterialien als Vergussmasse in faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Dabei werden Zwillingsmonomere in mehrere Lagen Fasermaterial eingebracht und die resultierenden Werkstoffe hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Zudem wird eine neue Methode vorgestellt, die es ermöglicht die Zwillingspolymerisation durch UV-Bestrahlung zu starten. Die in Folge ablaufende radikal-induzierte kationische Frontalpolymerisation bildet ähnliche nanostrukturierte Hybridmaterialien, wie sie auch mit kationischer oder thermischer Zwillingspolymerisation erhalten werden. Zusätzlich ist es möglich Epoxide in die Frontalpolymerisation einzubringen, um so zu einem Hybridmaterial bestehend aus Phenolharz, Epoxidharz und Siliziumdioxid zu gelangen. Die Charakterisierung der Proben erfolgte unter anderem mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischen Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrie, Nanoindentation und dynamisch-mechanischer Analyse.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Optimierungspotenzialen eines CFK-Recyclingprozesses. Zusätzlich sollen qualitative Unterschiede zwischen einer Primärfaser und einer recycelten Faser mittels Schliffbild und mikroskopischer Analyse ermittelt werden. Das optimierte Konzept soll einen wesentlichen Teil zur Rohstoffschonung beitragen, indem der Abfall zur qualitativen Ressource wird. Kohlenfaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK, hat sich mittlerweile in sehr vielen Branchen verankert, vor allem im Rennsport ist er kaum wegzudenken und wird deshalb auch als schwarzes Gold bezeichnet. Dieses außergewöhnliche Material besitzt mechanische Eigenschaften wie kein zweites. Die Vorteile bestehen in einer hohen Festigkeit und Steifigkeit bei einer vergleichsweise niedrigen Dichte von 1,8 g/cm3. Die Beliebtheit dieses Werkstoffes ist am aktuellen Absatz deutlich erkennbar und auch in Zukunft soll die Beliebtheit des Materials nicht nachlassen. Doch der technologische Fortschritt hat auch eine bedeutende Auswirkung auf die Umwelt, denn der vermehrte Einsatz des schwarzen Goldes führt unvermeidlich zu höheren Abfallströmen. Hier kommt die Schattenseite des Materials zum Vorschein. CFK ist ein Verbundstoff aus Kohlenstofffasern, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Dies stellt das Abfallmanagement vor deutlichen Herausforderungen, denn ein herkömmliches Verbrennen (Müllverbrennungsanlage) ist nicht möglich, da die verwendeten Temperaturen zu niedrig sind. Auch eine Deponierung ist äußerst komplex, da die Materialien ohne eine Vorbehandlung nicht gelagert werden dürfen. Mit zwei optimierten Recyclingkonzepten wird der Kreislauf der Wiedergewinnung verstärkt. Das erste Optimierungskonzept betrifft die Sortierung von CFK-Produktionsresten, in Abscheidung von Begleitstoffen. Dieser Prozess sorgt im anschließenden Pyrolyseverfahren für eine Sortenreinheit. Das zweite Optimierungskonzept behandelt Post-Consumer-Ware und deren Kennzeichnung. Die Kennzeichnung gibt Aufschluss über die genaue Art des CFK-Materials und deren Eigenschaften. In einem weiteren Schritt werden primäre und recycelte Fasern gegenübergestellt. Analysiert werden dabei vor allem die Oberflächeneigenschaften der einzelnen Fasern. Anhand des Schliffbildes lässt sich mittels mikroskopischer Analyse ein Unterschied erkennen. Die Qualität der recycelten Faser ist nicht vergleichbar mit einer primären Faser. Anwendungen sind jedoch möglich, wenn die Fasern spezifisch auf ihre Eigenschaften beschrieben werden. This scientific paper deals with different potentials for optimization of carbon fibre reinforced plastic. Additionally, certain differences between primary and recycled fibres shall be detected with the help of microsection and microscopic analysis. The optimized concept shall represent an active contribution to conserving raw materials, with which waste material changes to qualitative ressources. It is important to emphasize that carbon fibre reinforced plastic (CFRP) has successfully evolved itself in different industries, especially when it comes to bicycle racing. Therefore it is often called the indispensable black gold. This extraordinary material owns unique characteristics. Certain advantages are a high resistance and stiffness and low density (1,8g/ cm3). According to higher sales its ongoing popularity can be seen. But its technological advancements have a considerable effect on the environment as well, because the more CFRP is produced and used, the more it leads to an increase in waste flows. CFRP, a so-called composite material made of carbon fibres, is additionally embedded in a selected plastic matrix. As a result, the waste management faces enormous challenges, because a conventional waste incineration plant is not able to burn the material – its temperatures are too low. Furthermore, depositing of these materials is a very complex process, because it is not allowed to store them without a specific pre-treatment. With the help of two optimized recycling processes the intensification of raw material recovery can be supported. The first concept is all about the sorting of CFRP-production residues and the filtering of undesired accompanying substances. Subsequently, this process leads to varietal purity during pyrolysis procedure. The second concept approaches post-consumer goods and their identification, because it will only be possible to know the precise product type if you tag it and list its properties. In a further step, primary and recycled fibres are contrasted and surface properties are analyzed. With the aid of microsection and its microscopic analysis, certain differences were recognized. The quality of recycled fibres is not comparable with the one of primary fibres. All in all, recycled fibres will be able to get reused more often if the fibres’ properties are accurately described. Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2019

In jüngster Zeit hat das Thema der Stärkung von Betonstrukturen an Bedeutung gewonnen. Die zunehmende Betonung der Nachhaltigkeit bedeutet, dass eine zunehmende Anzahl von Strukturen saniert / gestärkt wird, anstatt abgerissen und durch neue ersetzt zu werden. Die Faserverstärkung aus Stahlbeton spielt eine wichtige Rolle bei der sicheren Übertragung von Lasten in einer Struktur. Sie können durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen (FRP), die mit ihren Spannungszonen verbunden sind, in ihrer Tragfähigkeit auf Biegung und / oder Druck verstärkt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Methode zur Bestimmung der Tragfähigkeit der faserverstärkten Stahlbetonquerschnitte. Bei der Literaturrecherche werden die Vorteile und Nachteile der verstärkten Querschnitte hervorgehoben. Durch Beispiele aus dem Hochbau wird in die Anwendungsbereiche der verstärkten Querschnitte aus Platten, Balken und Stützen vertieft eingegangen. Die Berechnungen zeigen, dass die Tragfähigkeit der Stahlbetonquerschnitte aufgrund der FRP – Verstärkung deutlich erhöht wird. In recent times, the topic of strengthening concrete structures has grown in importance. The increasing emphasis on sustainability means that an increasing number of structures are being rehabilitated/strengthened rather than being demolished and replaced with new ones. Reinforced concrete play an important role in the safe transfer of loads in a structure. They can be strengthened in flexure through the use of Fibre Reinforced Polymer (FRP) composites that are connected to their tension zones. The literature review highlights the advantages and disadvantages of reinforced sections. By examples from the building construction into the areas of application of the reinforced cross-sections of plates, beams and columns discussed in depth. The calculations show that the load bearing capacity of the reinforced concrete cross sections is significantly increased due to the FRP reinforcement.

Ziel der Arbeit war die Realisierung des Trockentiefziehens, da Schmierstoffe und Reinigungsmittel oft umweltschädliche Substanzen enthalten und eine längere Prozesskette zum Beölen sowie zum Reinigen der umgeformten Bauteile nötig ist. Motiviert durch die ökologischen und ökonomischen Potentiale wurde in Umformversuchen die Konsequenzen des Schmierstoffverzichts für einen verzinkten Tiefziehstahl sowie zwei Aluminiumlegierungen analysiert. Erhöhte Reibung und Adhäsionsneigung führte besonders beim direkten Kontakt der Aluminiumlegierungen mit dem Werkzeug zu Verschleiß und Schäden auf der Blechoberfläche. Zur Reibungsreduktion wurden die Werkzeuge unterschiedlich bearbeitet und mit verschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten versehen. In Streifenzieh- und Trockentiefziehversuchen wurde gezeigt, dass eine niedrige Werkzeugrauheit unabhängig vom Blechwerkstoff zu vorteilhaftem tribologischen Verhalten führt. Eine Wolframdotierung der Schichten wirkt hingegen negativ auf das Verschleißverhalten. Der Einfluss lasergenerierter Mikrostrukturen hängt von deren Tiefe und Flächendeckungsgrad ab. Es wurden tribologische Wirkzusammenhänge unter trockenen Kontaktbedingungen abgeleitet und gezeigt, dass Trockentiefziehen abhängig von Kontaktpartnern und Oberflächenmodifikationen realisierbar ist. This thesis focused on the development of a simulation approach for predicting process-induced deformations of wet moulded car body parts. The approach not only captures the well-known deformation modes spring-in and warpage, but also an up to now insufficiently analysed bending deformation. Besides the development of an efficient FE discretisation strategy, the influence of process-related factors like radii correction and fibre reorientations was investigated. To this end, the sub-process simulations for forming and geometry prediction were coupled. The aforementioned simulation method was validated by analysing several CFRP body in white components that show the well-known spring-in deformation as well as a dominant bending deformation. Based on the validated simulation approach, recommendations towards the future design of CFRP parts with high geometrical accuracy could be made.

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2982-9 (ISSN 0174-4003), Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamischer, variothermer RTM-Prozess zur gezielten Beeinflussung und Steuerung der Vernetzungsreaktion eines Epoxidharzsystems unter praxisnahen Bedingungen entwickelt, mit dem Ziel, den Produktionszyklus stark zu verkürzen und gleichzeitig hochwertige Formteile mit geforderten Eigenschaften herzustellen. Als Grundlage für den praktischen Verarbeitungsprozess erfolgte zuerst die systematische Charakterisierung der Vernetzungsreaktion des verwendeten Materialsystems. Hierzu wurde anhand von DSC-Messungen ein reaktionskinetisches Modell, das sowohl eine chemisch- als auch diffusionskontrollierte Reaktion einschließt, zur Beschreibung des Aushärtevorgangs erstellt. Mit diesem Modell können die Umsätze und Glasübergangstemperaturen für beliebige Härtungstemperaturen und -zeiten beschrieben und vorhersagt werden. Ausgehend von diesen materialspezifischen Kenntnissen können für die praktische Verarbeitung, je nach Anwendungsfall und Anforderungen, geeignete Prozessparameter vorgegeben werden. Zur Validierung der Übertragbarkeit des aufgestellten Reaktionsmodells auf die Praxis wurden im Labormaßstab einfache Epoxidharz-Formteile mit einem variotherm temperierbaren Werkzeug hergestellt. Die analysierten Aushärtezustände der hergestellten Formteile stimmten mit den jeweiligen Vorhersagen gut überein und bestätigten das Modell. Mit variothermer Herstellung bei deutlich höheren Härtungstemperaturen konnte die Aushärtezeit für den gleichen Vernetzungszustand wie bei einem isothermen Referenzprozess um bis zu 90 % reduziert werden. Allerdings besteht eine Abhängigkeit zwischen Formteilquerschnitt, Vernetzungsgrad und den resultierenden Formteileigenschaften. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit des Verfahrens für die industrielle Herstellung von kohlefaserverstärkten Epoxidharz-Formteilen (CFK) mit einem variotherm aus-gelegten RTM-Werkzeug geprüft. Eine wesentliche Herausforderung bestand dabei in der Auslegung und Realisierung der dynamischen und homogenen Temperierung des Werkzeugs mit einer relativ großen Freiformoberfläche. Für die Implementierung einer konturnahen und konturfolgenden fluidischen Temperierung wurde in dieser Arbeit konventionelle Fräsbearbeitung mit einem thermischen Spritzverfahren kombiniert, wodurch ein stabiler und betriebsfester Formeinsatz erzeugt werden konnte. Auch mit einseitiger variothermer Temperierung konnte in den durchgeführten Versuchen eine Verkürzung der Aushärtezeit um bis zu 50 % im Vergleich zum bisher angewandten Prozess erzielt werden., In the present thesis a dynamic and variothermal RTM process has been established that, under application-oriented conditions, accomplishes the manipulation and regulation of the crosslinking reaction in an epoxy resin system. This development is motivated by the need to shorten production cycles in industry whilst ensuring at the same time the quality and conformity of the manufactured moulded parts. In order to analyse the practical moulding process a systematic characterisation of the crosslinking reaction of the underlying material system is carried out in the first instance. For this purpose, based on a set of DSC measurements, a reaction kinetic model for the description of the curing process is derived that incorporates both, chemical and diffusion controlled parts of the reaction. By means of this model, conversion rates and glass transition temperatures can be described and predicted for arbitrary curing temperatures and times which in a further step allow, according to application and requirements, the appropriate tuning of process parameters in a practical manufacturing operation. For validation purposes and in order to constrain the practical relevance of the derived reaction model, simple epoxy resin parts have been manufactured at a laboratory scale by a variothermal mould. The analysed curing states of the resulting parts perfectly fit into the model, thus providing verification. Via variothermal moulding at distinctly high curing temperatures the curing time to reach a defined degree of crosslinking could be significantly reduced, up to 90 %, in comparison to an isothermal reference process. However correlations among the cross-section of the mould, the degree of crosslinking, and the resulting part properties should be taken into account. Furthermore the applicability of this procedure for industrial production of carbon fiber reinforced epoxy resin moldings (CFRP) was tested by using a variothermal RTM tool. An essential challenge was posed by the reasonable adjustment and realization of a dynamic and homogenous temperature control of the tool with a relatively large freeform surface. In order to implement a close-to-contour and contour-following fluidic temperature control, the present investigation combines conventional milling operations with thermal spraying process, thus leading to a stable and operationally reliable mould insert. Even by use of one-sided variothermal heating the conducted experiments reveal a shortening of curing time up to 50 % in comparison to the conventional process.

Kunststoffgebundene Dauermagnete kommen bereits seit einem dreiviertel Jahrhundert in diversen Anwendungen zum Einsatz. Dabei werden die gängigen Kunststoffverarbeitungsverfahren wie beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren, Pressen und Kalandrieren angewandt. Ähnlich zu der Aufteilung in der Verarbeitung von herkömmlichen Kunststoffen, werden auch für die kunststoffgebundenen Dauermagnete nur selten duroplastische Matrixmaterialien im Spritzgießverfahren eingesetzt. Dabei bringt gerade diese Werkstoffklasse hervorragende Eigenschaften mit sich, die eine Verbesserung der Eigenschaften von kunststoffgebundenen Dauermagneten zur Folge haben können. Neben der Medien- und Temperaturbeständigkeit dieser Werkstoffklasse spielt dabei auch deren Viskosität eine bedeutende Rolle für diese Anwendung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll geprüft werden, ob der Einsatz duroplastischer Matrixmaterialien zu einer Verbesserung der Eigenschaften kunststoffgebundener Dauermagnete führen kann. Hierfür werden anisotrope Magnetpartikel in den Kunststoff eincompoundiert und während der Verarbeitung im Spritzgießverfahren orientiert. Dies geschieht durch ein integriertes Magnetfeld im Spritzgießwerkzeug. Insbesondere sollen der Einfluss des Matrixmaterials, der Partikelgeometrie, der Fließrichtung sowie des Richtfeldes auf die Partikelorientierung untersucht werden. Zusammen mit grundlegenden analytischen Untersuchungen der Ausgangsmaterialien sollen abschließend Richtlinien für eine Bauteilauslegung definiert und erste Ansätze für eine Simulation der magnetischen Bauteileigenschaften erarbeitet werden. Polymer bonded magnets are used for different applications for over 70 years yet. These materials are produced within known polymer processing procedures as injection molding, extruding, compression molding and calendaring. However, as for standard plastics thermoset materials are seldom used in injection molding even though they show great potential regarding temperature and media resistance as well as in terms of a low viscosity. These properties could be of use in case of polymer bonded magnets. Within this work the use of thermoset matrix materials for polymer bonded magnets should be evaluated and thus their properties shall be improved. Therefore anistotropic magnetic particles will be incorporated in the thermoset matrix and they will be oriented during the injection molding process which requires a magnetic field in the cavity during processing. Especially the influences of the matrix material, the particle geometry, the flow direction and the aligning field on the particle orientation should be investigated and together with fundamental analytical procedures guidelines for engineering of parts should be generated as well as first approaches for a simulation of the part properties shall be given.

Among various nanofillers, carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention due to their excellent physical properties. Incorporation of a very low amount of CNTs in polymer matrices enhances mechanical, thermal and optical properties of conductive polymer nanocomposites (CPNs) tremendously. For mechanical sensors, the piezoresistive property of CNTs/polymer nanocomposites exhibits a great potential for the realization of stable, sensitive, tunable and cost-effective strain sensors. Achieving homogeneous CNTs dispersion within the polymer matrices, understanding their complex piezoresistivity and conduction mechanisms, as well as the response of the nanocomposites under humidity and temperature effects, is highly required for the realization of piezoresistive CNTs/polymer based nanocomposites. This research primarily aims to synthesize and characterize CNTs/polymer based strain sensitive nanocomposites, which are cost-effective, applicable on both rigid and flexible substrates and require a non-complex fabrication process. A comprehensive understanding of the complex conduction and piezoresistive mechanisms of CNTs/polymer nanocomposites and their responses under humidity and temperature effects is another purpose of this thesis. For this purpose, synthesis and complex electromechanical characterization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)/epoxy nanocomposites are realized. In order to realize strain sensors for the strain range up to 1 % the use of epoxy is focused due to its good adhesion, dimensional stability, and good mechanical properties. The nanocomposites with up to 1 wt.% MWCNTs are synthesized by a non-complex direct mixing method and the final nanocomposites are deposited on flexible Kapton and rigid FR4 substrates and their corresponding morphological, electrical, electromechanical, as well as the response of the nanocomposite under humidity and temperature influences, are examined. The deformation over the sensor area is tested by digital image correlation (DIC) under quasi-static uniaxial tension. Quantitative piezoresistive characterization is performed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) over a wide range of frequencies. Further, dispersion quality of MWCNTs in the epoxy polymer matrix is monitored by scanning electron microscopy (SEM). Additionally, in order to tailor the piezoresistivity of the strain sensor, an R-C equivalent circuit is derived based on the impedance responses and the corresponding parameters are extracted from the applied strain. Obtained SEM images confirm that MWCNTs/epoxy nanocomposites with different MWCNTs concentrations have a good homogeneity and dispersion. Atomic force microscopy (AFM) analysis show that the samples have relatively good surface topography and fairly homogeneous CNTs networks. Higher sensitivity is achieved in particular at the concentrations close to the percolation threshold. A non-linear piezoresistive behavior is observed at low MWCNTs concentrations due to the dominance of tunneling effect. The strain sensitive nanocomposites deposited on FR4 substrates present high-performance strain sensing properties, including high sensitivity, good stability, and durability after cyclic loading and unloading. In addition, MWCNTs/epoxy nanocomposites show quite a small creep, low hysteresis under cyclic tensile and compressive loadings and fast response and recovery times. Nanocomposites provide an opportunity to measure 2-D strain in one position including amplitude and direction for complex configuration of structures in real-time systems or products. In contrast to present solutions for multi-directional strain sensing, MWCNTs/epoxy based nanocomposites give promising results in terms of durability, easy-processability, and tunable piezoresistivity. Unlike commercially-available approaches for crack/damage identification, MWCNTs/epoxy nanocomposites are capable of detecting the applied crack directly over a certain area. From the humidity influence, it has been found that resistance of nanocomposites increases with the increase of humidity exposure due to swelling of the polymer. Temperature investigations show that MWCNTs/epoxy nanocomposites give negative temperature coefficient (NTC) response due to thermal activation of charge carriers and the temperature sensitivity increases with the increase of filler concentration. The proposed approach can be further developed by combining differently fabricated sensors for realizing a compact structural health monitoring system or multi-functional sensor, where pressure, strain, temperature, and humidity can be monitored simultaneously. Unter den verschiedenen Nanofillern haben CNTs aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften eine bedeutende Aufmerksamkeit erregt. Die Einarbeitung einer sehr geringen Menge an CNTs in Polymermatrizen verbessert die mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften von CPNs enorm. Für mechanische Sensoren bietet die piezoresistive Eigenschaft von CNTs/Polymer-Nanokompositen ein großes Potenzial zur Realisierung stabiler, empfindlicher, abstimmbarer und kostengünstiger Dehnungssensoren. Die Erzielung einer homogenen CNT-Dispersion innerhalb der Polymermatrizen, das Verständnis ihrer komplexen Piezoresistivitäts- und Leitungsmechanismen sowie die Reaktion der Nanokomposite unter Feuchte- und Temperatureinflüssen ist für die Realisierung piezoresistiver CNTs/Polymer-basierter Nanokomposite unerlässlich. Diese Arbeit zielt darauf ab, CNTs/polymerbasierte dehnungsempfindliche Nanokomposite herzustellen und zu charakterisieren. Diese Nanokompositen sollen kostengünstig, sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten anwendbar sein und ein nicht komplexes Herstellungsverfahren erfordern. Ein umfassendes Verständnis der komplexen leitungs- und piezoresistive Mechanismen von CNTs/ Polymer-Nanokompositen und deren Reaktionen unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Zu diesem Zweck werden Synthese und komplexe elektromechanische Charakterisierung von MWCNTs/epoxy nanocomposites realisiert. Um Dehnungssensoren für den Dehnungsbereich bis zu 1 % realisieren zu können, wird der Einsatz von Epoxy aufgrund seiner guten Haftung, Dimensionsstabilität und guten mechanischen Eigenschaften fokussiert. Zufällig verteilte MWCNTs mit bis zu 1 wt.% MWCNTs-Konzentration ist durch ein direktes Mischen synthetisiert und die Nanokomposite werden auf flexiblen Kapton und starren FR4 Substraten durch Siebdruck appliziert und anschließend deren morphologische, elektrische, elektromechanische sowie die Reaktion des Nanocomposits unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen untersucht. Die Verformung über den Sensorbereich wird duch die Digital Image Correlation (DIC) Methode unter quasi-statischer uniaxialer Spannung getestet. Die quantitative piezoresistive Charakterisierung wird mit elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) in einem breitem Frquenzspektrum durchgeführt. Ferner wird die Dispersionsqualität von MWCNTs in der Epoxidepolymermatrix durch Scanning Electron Microscopy (SEM) überprüft. Zusätzlich ist, um die Piezoresistivität des Dehnungssensors abzustimmen, eine RC-Äquivalenzschaltung auf der Grundlage der Impedanzantworten abgeleitet und die entsprechenden Parameter unter Belastung extrahiert. Erhaltene SEM-Bilder bestätigen, dass MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite mit unterschiedlichen MWCNTs-Konzentrationen eine gute Homogenität und Dispersion aufweisen. Die atomic force microscopy (AFM) Untersuchung zeigt, dass die Proben relativ gute Oberflächentopographie und ziemlich homogene CNT-Netzwerke aufweisen. Eine höhere Empfindlichkeit wird insbesondere bei den Konzentrationen nahe der Perkolationsschwelle erreicht. Eine nichtlineare Piezoresistivität wird bei niedrigen MWCNTs Konzentrationen aufgrund der Dominanz des Tunnelwirkungseffekts beobachtet. Die auf FR4-Substraten applizierten dehnungsempfindlichen Nanokomposite weisen ausgezeichnete Dehnungsmessungseigenschaften einschließlich hohe Empfindlichkeit, gute Stabilität und Haltbarkeit nach zyklischer Be- und Entlastung auf. Darüber hinaus zeigen MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite ein geringes Kriechen, eine kleine Hysterese unter zyklischen Zug- und Druckbelastungen, sowie schnelle Reaktionsund Wiederherstellungszeiten. Nanokomposite bieten die Möglichkeit, 2-D-Dehnungen in einer Position einschließlich Amplitude und Richtung innerhalb einer Materialstruktur in Echtzeitsystemen oder Produkten zu messen. Im Gegensatz zu aktuellen Lösungen für die multi-direktionale Dehnungsmessung, bieten die MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf Langlebigkeit, leichte Verarbeitung und einstellbare Piezoresistivität. Im Unterschied zu kommerziell verfügbaren Ansätzen wird festgestellt, dassMWCNTs/Epoxide-Nanokomposite zur Riss-/Schadenserkennung in der Lage sind, den angelegten Riss direkt über einen bestimmten Bereich zu detektieren. Aus dem Einfluss der Feuchtigkeit hat sich herausgestellt, dass die Resistenz von Nanokompositen mit zunehmender Feuchtigkeitsbelastung durch Quellung des Polymers zunimmt. Temperaturuntersuchungen zeigen, dass MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite aufgrund der thermischen Aktivierung von Ladungsträgern auf Temperatureinflüsse reagieren und die Temperaturempfindlichkeit mit der Erhöhung der Füllstoffkonzentration zunimmt. Der vorgeschlagene Ansatz kann durch die Kombination unterschiedlich hergestellte Sensoren zur Realisierung eines kompakten zur Überwachung des Zustands von Strukturen oder von multifunktionalen Sensoren weiterentwickelt werden, bei denen gleichzeitig Druck, Dehnung, Temperatur und Feuchtigkeit überwacht werden können.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann. In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

Das Verhalten von Faserverbundwerkstoffen auf Polymerbasis im Brandfall ist aufgrund ihrer organischen Matrix ein zentrales Thema in der Werkstoffentwicklung. Um unter Hitzeeinwirkung Flammbildung zu verhindern, den Brand einzudämmen oder zu löschen, werden den meisten Werkstoffen Flammschutzmittel (FSM) hinzugefügt. Gängige FSM haben jedoch einen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Trägermaterials und dessen Eigenschaften. Dazu zählen die Erhöhung der Harzviskosität, Versprödung der Matrix oder die Freisetzung toxischer Stoffe im Brandfall. Ein zentrales Thema der aktuellen Entwicklung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist der Wechsel von Prepreg- hin zu Infusionsprozessen. Dabei spielt der Einfluss auf die Verarbeitbarkeit eine besondere Rolle, da viele FSM im Infusionsprozess aufgrund der Erhöhung der Harzviskosität, Agglomeration oder Filtereffekten nicht verarbeitet werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, strukturelle Faserverbundwerkstoffe mithilfe eines Multi-Lagen-Aufbaus im Brandfall vor der Hitzeeinwirkung zu schützen, ohne die Bauteileigenschaften im Normalbetrieb zu beeinträchtigen. Dabei wurde der Ansatz verfolgt, in carbonfaserverstärkte Laminate auf Epoxidbasis Lagen aus Hochleistungsthermoplasten einzubringen, die im Brandfall als Intumeszenz- bzw. Barriereschicht dienen. Zur Evaluierung der Materialien wurden neben der Bestimmung des Brandverhaltens mittels Cone Kalorimetrie zusätzlich in der Luftfahrt zulassungsrelevante Prüfverfahren zur Bestimmung der Brennbarkeit, Flammausbreitung und der Freisetzung von Wärme, Rauch und toxischer Stoffe durchgeführt. Zusätzlich wurde die für den strukturellen Bereich wichtige Feuerbeständigkeit untersucht und kritische mechanische Größen, wie die interlaminaren Eigenschaften, Druckfestigkeit und die Impakt-Toleranz bestimmt. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit des Materials gegenüber luftfahrtrelevanten Medien untersucht. Neben der Materialcharakterisierung wurden die Mechanismen untersucht, die im Brandfall im Material ablaufen, um mit dem daraus resultierenden Verständnis das Material gezielt optimieren zu können. In diesem Zusammenhang wurde u.a. das Brandverhalten in Abhängigkeit von der Beaufschlagungstemperatur, Probendicke, Probenfeuchtigkeit und von mechanischen Schäden bestimmt. Außerdem wurden die freigesetzten Pyrolysegase und die Änderung der thermischen Eigenschaften des Materials betrachtet. Mithilfe modifizierter Cone Kalorimeter-Messungen wurde darüber hinaus die Temperaturverteilung und die Zersetzung des Materials über den Probenquerschnitt während der Messung beobachtet. Durch den Einfluss der Modifizierung auf die Verarbeitbarkeit, speziell im hier verwendeten Infusionsverfahren, wurde neben der Materialentwicklung auch der Verarbeitungsprozess betrachtet und angepasst. Ein Beispiel hierfür ist die Anpassung der Infusionstemperatur an die Löslichkeit der Thermoplaste im Harzsystem. Die Arbeit zeigt, dass thermoplastische Zwischenlagen im Brandfall durch Intumeszenz bzw. Barriereeffekte das darunterliegende Material schützen. Dadurch wird die Restfestigkeit und die Zeit bis zum Versagen des Bauteils erhöht. Zudem wirken die Lagen zähmodifizierend und verbessern die mechanischen Eigenschaften im Normalbetrieb. Zusätzlich können die Lagen als Träger für zusätzliche Modifikatoren dienen. The behavior in case of fire is an important issue in the development of polymer based fiber reinforced composites. For improving the material properties concerning flammability, burning behavior and fire resistance, the materials are modified with flame retardants (FSM). However, common FSM have an influence on the processability and the properties of the material they are mixed in. This includes increasing the resin viscosity, embrittlement of the matrix and the release of toxic substances in case of fire. One focus of the current development of fiber reinforced composites is the change from prepregging to infusion processing. An important issue in this topic is the influence of the FSM on the processing, because many FSM are not processible by infusion due to increase of the resin viscosity, agglomeration or filter effects. The aim of this study is to develop a new method of fire protection for carbon fiber reinforced composites which is manufactured using the infusion process and is applied in aeronautic structures without a detraction of the processing and the material properties under operational conditions. In this approach, thermoplastic (TP) interlayers were used in a multi-layered laminate (MLL) as barrier and/or intumescent layers to protect the material below from the heat impact. Besides the characterization using the cone calorimeter, testing methods in accordance to the aeronautic regulation and specification were used to evaluate the MLL regarding flammability, flame spread and the release of heat, smoke and toxic gases. In addition, fire resistance, the most critical mechanical properties and the resistance against common aeronautic media were measured. Additional to the characterization, the mechanisms under heat impact were studied. The resulting understanding of the behavior in case of fire was used as basis for a systematic optimization of the MLL. For this purpose, the burning behavior was measured, depending on the heat impact, sample thickness, moisture and mechanical damage. Furthermore, the released gases and the change of the thermal properties were measured. Modified cone calorimetry measurements were used to analyze the temperature distribution and the degradation of the material through the sample thickness. Due to the influence of the modifications on the processability of the materials in the used infusion process, also process development was part of the work. One example is the adjustment of the processing temperature due to the solubility of the TP in the matrix resin. This study shows that the interlayers protect the material below by building an intumescent and/or protective layer in case of fire. This effect increases the residual strength and the time to failure. Additionally, the interlayers increase the mechanical properties of the material under operational conditions by toughening the matrix resin. Furthermore, the interlayers can be used as carrier for additives for a selective and well defined modification of the laminate.

Zellulare Werkstoffe leisten im Rahmen des Stoff- und Verbundleichtbaus einen wichtigen Beitrag zur Gewichtsreduktion. Dabei haben die syntaktischen Schäume als Vertreter der zellularen Werkstoffe vor allem im Bereich der Tiefseeanwendungen eine große Verbreitung erfahren. Alternativ zu den üblicherweise verwendeten Mikrohohlkugeln kann Glasschaumgranulat aus Recyclingglas verwendet werden. Dieses weist gute mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Druckfestigkeit bei deutlich geringeren Kosten auf. Syntaktische Schäume mit zellularem Granulat als Platzhalter sowie Metall- oder Polymermatrizen werden zellulare Verbundwerkstoffe (ZVW) genannt. Für einen erfolgreichen Einsatz des ZVW als Konstruktionswerkstoff ist die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften unerlässlich. In der vorliegenden Arbeit wird das quasi-statische Verhalten und die Ermüdung eines zellularen Verbundwerkstoffes mit Epoxidharzmatrix und Glasschaumgranulat experimentell untersucht und modelliert. Zur Ermittlung der Schubeigenschaften wird eine neuartige Schubversuchsvorrichtung entwickelt und vorgestellt. Mit Hilfe einer numerischen Homogenisierungsmethode können die effektiven elastischen Werkstoffeigenschaften mit hoher Genauigkeit und ohne aufwändige Versuche am ZVW aus den Eigenschaften der Verbundwerkstoffkomponenten berechnet werden. Anhand von zwei ausgewählten Anwendungsbeispielen wird das hohe Leichtbaupotenzial des ZVW demonstriert. Es wird erstmals das Ermüdungsverhalten eines zellularen Verbundwerkstoffes anhand einachsiger statischer Zug- und Druckversuche sowie zyklischer Versuche bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen untersucht. Der Schädigungsprozess bei zyklischer Beanspruchung stellt eine Interaktion zwischen statischer und zyklischer Schädigung dar. Die Werkstoffschädigung wird mit der Abnahme des makroskopischen Elastizitätsmoduls assoziiert. Die Analyse der Schädigungsevolution erfolgt mit Hilfe von licht- und rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen. Zur Vorhersage der Lebensdauer in Abhängigkeit von der Frequenz und der Signalform werden eindimensionale kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle für statische bzw. zyklische Schädigung verwendet. Die Parameterabstimmung wird basierend auf Versuchen mit rein statischer sowie rein zyklischer Schädigung durchgeführt. Die Schädigungsmodelle berücksichtigen eine nichtlineare Schädigungsevolution sowie -akkumulation, womit der Reihenfolgeeinfluss abgebildet werden kann. Es wird ein spezieller Algorithmus entwickelt, welcher eine sehr schnelle Berechnung der Schädigungsevolution für beliebige Frequenzen ermöglicht. Die mit dem Schädigungsmodell für unterschiedliche Frequenzen, Signalformen und Lastreihenfolgen berechneten Lebensdauern stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Cellular solids are very important in lightweight design due to their good mechanical and physical properties such as high weight-specific stiffness, good energy-absorbing behavior and good thermal and acoustic isolation. Syntactic foams, a class of closed-cell foams, are extensively used e.g. in deep submergence buoyancy where the high compressive strength as well as their low water absorption are required. Cellular composites are syntactic foams with metals or polymers as matrix material combined with cellular glass, mineral, or metal place holders. Cellular composites made with cellular glass granules from recycled glass offer high stiffness and compressive strength at low costs. When designing components made from cellular composites, the knowledge of their mechanical properties is of vital importance. In this work, the quasi-static and the fatigue behavior of a cellular composite with epoxy matrix and glass foam granules will be studied. The shear properties of the cellular composite are investigated using a new shear test fixture which is particularly suitable for testing of cellular solids. A numerical homogenization method for cellular composites will be introduced. Using this method, the effective elastic properties can be calculated in a very effective manner from the properties of constituent materials without tests on the composite itself. Two examples of practical applications demonstrate the high lightweight capability of the cellular composite. The fatigue behavior of the cellular composite will be investigated for the first time in this work. The experimental tests comprise uniaxial static and cyclic tension, compression, and reversal loading. It is found that the damage process under cyclic loading is an interaction between static and cyclic damage. The material damage is described in terms of macroscopic stiffness loss and the damage behavior is studied using optical and scanning electron microscopy. Continuum damage mechanics models for static and cyclic damage are used to model the damage evolution of the cellular composite. For calibrating the model parameters, pure static and pure cyclic damage tests are performed. The models incorporate nonlinear accumulation and nonlinear interaction of damage and are therefore capable to represent load sequence effects. A cycle jumping procedure is developed which allows a very fast calculation of damage evolution for arbitrary load frequencies. The calculated lifetimes for different load frequencies, waveforms, and load sequences are in very good agreement with experiments.

Die Klebetechnologie spielt heutzutage eine sehr bedeutende Rolle bei der Realisierung von Werkstoffverbunden unterschiedlichster Art. Hierbei sind die mechanischen und strukturellen Eigenschaften der Klebverbunde unter Einsatzbedingungen bemerkenswert. Diese Merkmale werden erheblich durch die Art der Klebstoffbestandteile und ihre Wechselwirkung beeinflusst. In dieser Arbeit kommen unterschiedliche Test-Verfahren zum Einsatz, um die mechanischen und strukturellen Eigenschaften von gefüllten Klebstoffen zu untersuchen. Als Basiswerkstoff werden Klebstoffe auf Epoxid- und Polyurethan-System verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der inneren Oberflächen von Füllstoffen auf die oben genannten Eigenschaften finden zwei Gruppen von Füllstoffen auf Calciumcarbonat- und Kieselerde-Basis Verwendung. Die Bewertung der Bruchflächen erfolgt durch die Digital-Mikroskopische-Analyse und Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM). Die aus den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass die mechanischen und strukturellen Kennwerte des Polymer-Metall-Verbundes, insbesondere des Elastizitätsmoduls, der Zugfestigkeit, des mittleren und maximalen Schälwiderstands sowie der Bruchzähigkeit durch die Wechselwirkung zwischen den inneren Oberflächen der verwendeten Füllstoffe und der Polymermatrix erheblich beeinflusst werden können. The bonding technology today plays a very important role in the realization of the composite materials of various kinds. In this relation the mechanical and structural properties of adhesive bonds under conditions of use are remarkable. These characteristics are significantly influenced by the type of adhesive components and their interaction. In this work, different test methods are used for investigation about the mechanical and structural properties of the filled adhesives. As base material adhesives based on epoxy and polyurethane systems have been used. For investigation about influence of the inner surfaces of fillers on the properties mentioned above there are two groups of fillers based on calcium carbonate and silica in use. The evaluation of the fracture surfaces is carried out by the digital microscope analysis and scanning electron microscopy (SEM). The results of the tests show that the mechanical and structural characteristics of the polymer-metal-composite in particular the elastic modulus, tensile strength, average and maximum peel resistance and fracture toughness can be significantly affected by the interaction between the surfaces of fillers and polymer matrix.

Ill., graph. Darst.

Das Agglomerationsverhalten von Carbon Nanotube/Epoxid-Suspensionen wurde anhand kombinierter rheologischer, elektrischer und optischer Messungen untersucht.Durch hohe Scherraten verursachte irreversible Strukturänderungen im System werden mit Hilfe der Kolloidtheorie erklärt. Die dynamische Perkolationstheorie wird mittels der gewonnen Ergebnisse kritisch diskutiert, da Sekundäragglomeration als Hauptursache für die verbesserte Leitfähigkeitswerte im Komposit angesehen wird., By means of combined rheological, electrical, and optical measurements the agglomeration behaviour of carbon nanotubes/epoxy-suspensions is evaluated. Irreversible structural changes (”initial shear effect“) caused by high shear rates are explained with respect to colloid theory. As a consequence dynamical percolation theory is critically discussed assuming secondary agglomeration to be the main reason for the high conductivity values reached in cured composites.

The present work is focussed on the optimisation of a process for the generation of epoxy/layered silicate nanocomposites with improved barrier properties. To enhance the effectivity of the layered silicate particles it is necessary to seperate the single layers (exfoliation) and consequently to enlarge the interface between the components. The process of exfoliation depends on thermodynamic and kinetic actions that can be cost- and energy consuming. By adding liquid epoxy components and organic modified layered silicates corresponding nanocpomposites are formed. Therefor a sufficient compatibility of epoxy-components and layered silicate is advantegeous. Hyper branched polyalkoxysiloxane (PAOS) is a SiO2 precursor molecule with emerging properties. It is distinguished by a low viscosity, good miscibility with many organic solvents and various modifiability. Due to this properties PAOS can act as an intermediate for the compatibility between the Bisphenol-F-epoxy matrix and organically modified layered silicates used in this work. PAOS acts as exfoliation agent as well and contributes to improved barrier properties of the composite. To determine the layer distances different analytical approaches were used. To obtain basic information regarding intercalation or exfoliation and consequently changes in the distance of the single layers X-ray diffraction measurements(XRD)are very sufficient. For quantification of an exfoliation TEM-measurements were carried out and evaluated by using a semiquantitative method. Furthermore a model for determining the degree of exfoliation from 1H-NMR-solid state measurements of the longitudinal relaxation time (TH1) was developed. By modification of PAOS, applying cocondensation- or transesterification reactions, it was possible to adapt PAOS functional groups to the organic modification of layered silicates. This adjustment in compatibility resulted in increased layer distances and an improved distribution of the single layers in the epoxy matrix. The resulting nanocomsite exhibited an improved water vapor barrier of 22.5% compared to the unfilled epoxy resin. This nanocomposite contained 2 wt.-% (7.5 vol.-%) of layered silicate. Within this work a maximum filling content of 5 wt.-% (18.5 vol.-%) could be reached. When higher filling contents were used a perfect wetting of the silicate layers by PAOS and epoxy resin was not longer given. Possibly this degree of filling is not sufficient to reach the target of a super-barrier layer. By using and combining suitable PAOS-and layered silicate modifications improved barrier properties of epoxy/layered silicate/PAOS nanocomposites were obtained. Another system with different modification showed improved mechanical properties. A nanocomposite system combining improved mechanical and barrier properties was not generated within the framework of this thesis. Additionally the reduction of water vapor permeability of 22.5% is not sufficient for a super-barrier layer. One approach for a further improvement of the barrier properties can be an increase of the filling factor in the nanocomposite. A suitable solvent, as shown in some parts of this thesis, could be helpful as well as a controlled sedimentation of layered silicate particles.

Ill., graph. Darst.

Epoxidsysteme werden eingesetzt als Konstruktionsklebstoff im Bauwesen, als Strukturklebstoff zum Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau, als Vergussmasse zur Verkapselung elektrischer Bauteile oder in Form von Beschichtungen und Lacken gegen Korrosion. Ebenso häufig finden sie Verwendung als Matrixmaterial zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Ihre chemische Basis bilden Epoxidharz und Härter, wobei Dicyandiamid (DDA) einer der bedeutendsten Härter ist. Solche Epoxid-DDA-Systeme härten aber nur in Anwesenheit eines Beschleunigers effizient (niedrige / kurze Aushärtungstemperatur / zeit) aus. Dieser ruft bei Raumtemperatur jedoch Vorgänge hervor, die die Viskosität mit zunehmender Lagerungszeit erhöhen und die Verarbeitung der Reaktivsysteme unmöglich machen. Für Abhilfe sollen Zeolithe sorgen, die einen in ihren Poren bei 25 °C verankerten Beschleuniger bei Temperaturerhöhung freisetzen können. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass diese beschleunigerbeladenen Zeolithe einem Epoxid-DDA-System Lagerungsstabilität (mehr als 220 Tage) und effizientes Aushärtungsverhalten bei 170 °C (Aushärtungszeit kürzer als 30 min) verleihen. Unter Berücksichtigung der Wechselwirkung von Epoxidharz, DDA, Beschleuniger und Zeolithoberfläche werden die viskositätserhöhenden Vorgänge bei 25 °C aufgeklärt, die Netzwerkbildung während der Heißhärtung bei 170 °C erforscht und die Struktur dieses effizient ausgehärteten Epoxid-Zeolith-Verbundwerkstoffes mit seinen Eigenschaften verknüpft. Epoxy reactive systems are used as a structural adhesive in civil engineering, automotive engineering, shipbuilding and aircraft construction as well as for encapsulating electrical components. They are utilised as coatings and lacquers against corrosion and as a matrix material for polymer composites. Their chemical base consists of an epoxy resin and a hardener like dicyandiamide as one of the most applied hardeners. But, these epoxy-dicyandiamide reactive systems cure efficiently (low curing temperature, short curing time) only with an accelerator. This accelerator, however, activates processes at room temperature that lead to an increase of viscosity and hence to the loss of process ability. That reduces the shelf life considerably. For prolongating the shelf life, special zeolites shall encapsulate an accelerator in their pores. According to thermal gravimetric analysis, the zeolites release this accelerator when the temperature increases. In this thesis, it is proven that the zeolites loaded with an accelerator give an epoxy-dicyandiamide reactive system a shelf life of more than 220 days at room temperature. Moreover, this zeolite-modified epoxy cures efficiently at 170 °C (curing time: less than 30 min). Considering the interaction of epoxy resin, dicyandiamide, accelerator and the zeolite surface, the processes that lead to an increase of viscosity, the structure formation during the curing at 170 °C and the caloric and dielectric properties are explained.

Die Klebtechnologie ermöglicht maßgeschneiderte Werkstoffverbunde unterschiedlichster Materialien. Die mechanische Festigkeit und Beständigkeit der Klebungen unter Einsatzbedingungen sind dafür essentiell. Diese Eigenschaften werden von der Bildung einer Interphase im Kontakt mit dem Substrat sowie der Alterung unter dem Einfluss von Temperatur, Sauerstoff und Feuchtigkeit beeinflusst. Beides führt zu Klebstoffeigenschaften, die örtlich und zeitlich vom Bulkverhalten abweichen und deshalb verstanden werden müssen. In dieser Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Tiefenprofilierung der chemischen, morphologischen und mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs eingeführt. Am Beispiel eines Epoxidsystems (DGEBA-DETA) auf den Substraten Gold, Aluminium und Kupfer wird die Tauglichkeit der Methodik bewiesen und die Interphase sowie die Alterung ortsaufgelöst untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass während der Vernetzung die Bildung und Diffusion organometallischer Komplexe zur Entstehung einer chemischen Interphase beiträgt, insbesondere auf Kupfer. Die Alterung des Klebstoffs beruht auf einer Hierarchie von parallelen und sequentiellen Reaktionsmechanismen, die von den klimatischen Bedingungen abhängen. Das in der Interphase gelockerte Netzwerk ermöglicht die beschleunigte Alterung des Epoxids in Substratnähe. Alle Prozesse wirken sich auf die mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs und damit auf die Leistungsfähigkeit der Klebung aus. Adhesive bonding allows different materials to be joined to tailored structures and composites. Mechanical strength and durability under service conditions are crucial factors for safe application. These properties are affected by the formation of an interphase at the contact to the substrate material and by the ageing under the influence of temperature, oxygen and humidity. As the result, the properties of the adhesive differ temporally and locally from the bulk behaviour. Thus, the underlying processes have to be understood. In this thesis, a procedure is presented to profile the chemical, morphological and mechanical properties in depth of the adhesive. An epoxy (DGEBA-DETA) on gold, copper and aluminum is considered to prove the suitability of the approach and to study the interphase and ageing effects locally. It is shown that the formation and diffusion of organometallic complexes adds to the formation of a chemical interphase during cross-linking, in particular on copper. The chemical ageing of the adhesive is based on a hierarchy of parallel and subsequent reaction mechanisms that depend on climatic conditions. The looser network structure of the interphase provokes an accelerated ageing close to the substrate. All processes affect the mechanical properties of the adhesive and thus on the performance of the bond.

Ill., graph. Darst.

Die Zinkstaubgrundierung ist ein bewährter kathodischer Korrosionsschutz des Stahls für Schiffsbau und Offshore-Anlagen und entsprechende Magnesiumpigmente sollen nun Aluminiumlegierungen schützen, beispielsweise im Flugzeugbau. Für wasserlösliche Anstrichmittel (VOC-Minderung) müssen die Metallstäube gegenüber dem Wasser stabilisiert werden. Chelatkomplexbildende Epoxidharze stabilisieren Magnesiumpigmente und Zinkpigmente in wasserverdünnbaren Lacksystemen und erhalten gleichzeitig die kathodische Korrosionsschutzwirkung. Im Handel gibt es bereits entsprechende Epoxidharze und diese müssen nun so eingesetzt werden, dass sie die Metallpigmente komplexieren, aber nicht vollständig belegen. Eine zweite Möglichkeit sind koagulierende Mehrfachschutzschichten. Sie bestehen aus mehreren funktionellen Oligomeren, die von innen (Pigment) nach außen zunehmend hydrophober werden. Sie stabilisieren die Metallpigmente in wasserverdünnbaren Lacksystemen ebenfalls, die Stabilisierung ist aber geringer als die mit chelatkomplexbildenden Epoxidharzen. Eine Stabilisierung durch Abscheidung von Polypyrrol ist nur für Zinkpigmente möglich. Die Polypyrrolabscheidung ergibt eine sehr gute Stabilisierung. Ob die Korrosionsschutzwirkung der Pigmente erhalten bleibt, ist jedoch fraglich.

Ill., graph. Darst.