Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharzen

Eine effektive Methode zur Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von Epoxidharzen ist die Verwendung von homogen dispergierten Nanopartikeln. Es existiert eine große Vielzahl an Nanopartikeln, die sich hinsichtlich ihrer Form und Größe sowie ihrer chemischen Zusammensetzung deutlich unterscheiden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, speziell den Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharz-Nanocompositen zu beschreiben und zu erklären. Im Speziellen soll der Einfluss der Partikelform, der Partikelgröße und des Aspektverhältnisses der Nanopartikel untersucht werden. Für diese Untersuchungen wurden sphärische, stäbchenförmige und plättchenförmige Nanopartikel so ausgewählt, dass diese in ihren geometrischen Abmessungen und ihrer chemischen Zusammensetzung vergleichbar sind. Die anspruchsvollen Ziele der vorliegenden Dissertation erfordern die Betrachtung eines ganzheitlichen interdisziplinären Ansatzes. Dieser umfasst die Auswahl und Oberflächenmodifikation der Nanopartikel, die Optimierung und Charakterisierung der Dispergierqualität, die stetige Analyse der Partikelgrößenverteilung sowie die Bestimmung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens und dessen Interpretation anhand von bruchmechanischen Theorien und deren Korrelation mit der Partikelgeometrie. Die Ergebnisse der Arbeit verdeutlichen, dass das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten der Nanocomposite deutlich von der Partikelgeometrie beeinflusst wird. Durch die Korrelation der auftretenden bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen mit der Partikelgeometrie und der Anpassung bruchmechanischer Theorien an die dynamische Rissausbreitung können die beobachteten Unterschiede im Materialverhalten erklärt werden. Es zeigt sich, dass die Partikelgröße einen maßgeblichen Einfluss auf die auftretenden bruchzähigkeitssteigernden Mechanismen und damit auf das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten hat. Eine direkte Wechselwirkung der Nanopartikel mit der fortschreitenden Rissfront tritt auf, sobald die Partikelgröße die Größe der dynamischen Rissspitzenöffnungsverschiebung überschreitet. Die sehr kleinen nano-SiO2-Partikel können nur durch lokale plastische Deformation, hervorgerufen durch die Delamination der Nanopartikel und das anschließende Porenwachstum, zur Steigerung des FCP-Verhaltens beitragen. Die Verbesserung des Materialverhaltens ist dabei auf die extrem hohe Anzahl an Nanopartikeln und Delaminationsereignissen an deren Oberflächen zurückzuführen. Nanopartikel, deren Partikelgröße in einer Dimension die Rissspitzenöffnungsverschiebung überschreitet (z. B. synthetische Schichtsilikate), führen durch das Auftreten von Rissanhaftung und -ablenkung und der damit verbundenen Delokalisierung der bruchzähigkeitssteigernden Effekte zu einer effektiveren Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens. Neben der PartikelgröV ße kann auch ein deutlicher Einfluss der Partikelform auf das FCP-Verhalten beobachtet werden, wohingegen der Einfluss des Aspektverhältnisses gering bzw. nicht eindeutig zu quantifizieren ist.