Polymer-ceramic multilayer composites with high fracture toughness
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens wurden schichtartige Polymer-Keramik Verbundwerkstoffe nach dem Vorbild der Natur hergestellt und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass gesinterte keramische Folien (70 µm ZrO2 und 250 µm Al2O3) anhand von sehr dünnen Polymerschichten mit relativ konstanter Dicke bis hinab zu 10 µm zu einem lasttragenden Verbund mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften zusammengefügt werden können. Verschiedene Komposite mit bis zu 33 Keramikschichten wurden untersucht und die Verbundeigenschaften mit den Schichtdicken und den mechanischen Eigenschaften der Verbundkomponenten korreliert. Als Polymere kamen hauptsächlich kationisch vernetzende Epoxidharze mit integrierten amorphen und kristallisationsfähigen Bereichen zum Einsatz. Die mechanischen Eigenschaften und die Glasübergangstemperatur konnten in einem weiten Bereich durch verhältnismäßig geringe Eingriffe in die chemische Zusammensetzung variiert werden. Durch diese minimale Veränderung war es einfacher Einflüsse der chemischen Zusammensetzung und der resultierenden Morphologie bei der Interpretation der Ergebnisse voneinander zu separieren. In erster Linie wurden die Eigenschaften der Epoxidharze durch den Zusatz von polyesterbasierten Polyolen eingestellt. Es wurde die chemische Struktur, Molmasse und Gehalt der Polyesterpolyole variiert. Diese Polyesterpolyole werden bei der kationischen Polymerisation des Epoxidharzes mit in das Polymernetzwerk eingebaut. Es konnten sowohl homogen amorphe, phasensepariert amorphe als auch teilkristalline vernetzte Polymerisate erhalten werden. Es sei hier erwähnt, dass teilkristalline Duromere bisher nahezu unbekannt waren. Die Glasübergangstemperatur des reinen Epoxidharzes liegt im Bereich von nahezu 200 °C und wird nur minimal abgesenkt wenn nur wenig Polyol zugesetzt wird und dieses phasensepariert. Die besten mechanischen Eigenschaften (hierunter wird eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Reißdehnung verstanden, zusammen resultiert das in einer hohen Zähigkeit) werden bei Polymeren erzielt wenn sich nanoskopische Domänen aus den Polyesterpolyolen bilden und diese noch nicht kristallisieren können. Die Kristallisation würde erst bei etwas höheren Gehalten oder Molmassen der Polyesterpolyole einsetzen. Proben die durch Trübung visuell erkennbare mikroskopische Heterogenitäten, die sich dann als Kristallite erwiesen, aufweisen, zeigen hingegen ein sprödes Verhalten. Die formulierten phasenseparierten Epoxidharze wurden als Klebstoffe für die Präparation von Keramikfolienverbunden mit 4 und 15 Keramiklagen verwendet. Im Vergleich zu anderen bioinspirierenden keramischen Verbundwerkstoffen wurden hervorragende mechanische Eigenschaften (Bruchzähigkeit, Festigkeit und Versagenswahrscheinlichkeit) erzielt, wobei diese bei der höheren Lagenzahl signifikant besser sind. Ergänzende Untersuchungen an Verbunden aus 33 Keramikschichten und sehr weichen Urethan-Acrylat-Klebstoffen (Bruchdehnung bis zu 230 %, Steifigkeit ca. 3 Größenordnungen kleiner als die der keramischen Komponente) resultierten in Verbundwerkstoffen mit einem quasi-duktilen Spannungs-Dehnungs-Verhalten, sukzessivem Versagen und sehr hohem Spannungsintensitätsfaktor (über 30 MPa m0.5). Es hat sich dabei gezeigt, dass ein weicher Klebstoff nicht immer von Vorteil ist, da nicht nur die Festigkeit und die Steifigkeit, sondern auch der Widerstand gegen Risswachstum abnimmt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bei zwei spröden Verbundkomponenten (Glas-Keramik Verbunde) und relativ dünnen Schichten eine mit der Keramik vergleichbare hohe Verbundfestigkeit erreicht werden kann, trotzt des spröden Versagens des Materials. Für die Modellierung des mechanischen Verhaltens von schichtartig aufgebauten keramischen Verbundwerkstoffen wurde ein numerisches Modell auf Basis des J-Integral Konzeptes entwickelt. Das Erstversagen in den Keramikschichten bei Verbunden mit weichen Polymeren konnte vorhergesagt werden. Neben der numerischen Modellierung wurde auf Basis der Euler-Bernoulli und Timoshenko Balkentheorie ein analytisches Modell entwickelt. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten und das sukzessives Versagen von Verbundwerkstoffen unter Biegelast konnte mit dem Modell erfolgreich vorhergesagt werden.
Publications
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RSC Advances 5 (2015), 42482–42491, “Morphological adjustment determines the properties of cationically polymerized epoxy resins”
A. Arnebold, K. Thiel, E. Kentzinger, A. Hartwig
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J. Adh. Sci. and Tech. 30 (2016) 960-971, “Partially crystalline epoxy networks with superior mechanical and adhesion properties”
A. Arnebold, S. Wellmann, A. Hartwig
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J. Appl. Polym. Sci. 133 (2016), 43986, „Covalent integration of differently structured polyester polyols improves the toughness and strength of cationically polymerized, amorphous epoxy networks“
A. Arnebold, S. Wellmann, A. Hartwig
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J. Polym. Sci. B: Polym. Phys. 54 (2016) 2188-2199, “Control of Reaction Mechanisms in Cationically Polymerized Epoxy Resins Facilitates the Adjustment of Morphology and Mechanical Properties”
A. Arnebold, F. Plander, K. Thiel, S. Wellmann, A. Hartwig
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Polymer 83 (2016) 40-49, “Fast switchable, epoxy based shapememory polymers with high strength and toughness”
A. Arnebold, A. Hartwig
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Polymer 91 (2016) 14-23, “Network dynamics in cationically polymerized, crosslinked epoxy resins and its influence on crystallinity and toughness”
A. Arnebold, S. Wellmann, A. Hartwig
