Ein Verbundwerkstoff besteht grundsätzlich aus mindestens drei unterschiedlichen Bestandteilen, nämlich der Matrix, der verstärkenden Komponente sowie der dazwischen befindlichen Grenzfläche. Soll ein Verbundwerkstoff optimiert werden, so müssen stets alle diese Komponenten optimiert werden. Das Interface bestimmt dabei die Kraftübertragung von der Matrix auf die Faser (bei Faserverstärkten Kunststoffen). Ausschlaggebend für die Kraftübertragung ist die Festigkeit, die indirekt über die Haftung der Partner bestimmt werden kann. Diese Arbeit befasst sich mit der Optimierung der Haftung durch gezielte Modifikation im Plasma oder mit Hilfe der physikalischen Gasphasenabscheidung. Dabei wurden Aramidgewebe oberflächlich modifiziert und der Einfluss auf die Haftung untersucht.
Grundsätzlich konnte festgestellt werden, dass sich die benutzten Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion eignen. Allerdings wurde erkannt, dass vor allem die Variation der Aktivierungszeit und des Gasflusses einen besonders hohen Einfluss auf die Oberflächenaktivität hatten. Die Plasmabehandlung bewirkt den Einbau von funktionellen Gruppen in die Faseroberfläche. Bei zunehmender Modifizierungzeit verändert sich die Rauheit der Faseroberfläche sichtbar. Die Beschichtung mit einem Metall beziehungsweise deren Oxide erhöhte auch die Haftfestigkeit des Verbundes. Allerdings konnte nur bei einer Titanbeschichtung ein mit der Plasmabehandlung vergleichbares Ergebnis erzielt werden. Die vorgeschaltete Plasmabehandlung konnte auch die Adhäsion bei den gecoateten Proben erhöhen, wobei Titanoxid eine Ausnahme bildete. Die Faseroberfläche wurde hinsichtlich der Rauheit durch die Beschichtung kaum verändert. Aber auch hier stellte mit einer vermehrten Dropletbildung die Silberbeschichtung eine Ausnahme dar.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Motivation und Zielsetzung
3 Grundlagen
3.1 Grundlagen der Haftung/Adhäsion
3.1.1 Theorie der mechanischen Adhäsion
3.1.2 Elektrostatische Theorie
3.1.3 Diffusionstheorie
3.1.4 Adsorptionstheorie
3.1.4.1 Chemische Wechselwirkungen
3.1.4.2 Physikalische Wechselwirkungen
3.1.4.2.1 Dipol-Dipol-Wechselwirkung (Keesom-Kräfte)
3.1.4.2.2 Induktionskräfte
3.1.4.2.3 Wasserstoffbrückenbindung
3.1.4.2.4 Londonkräfte
3.2 Vorgänge im Plasma
3.2.1 Plasma
3.2.2 Plasmaerzeugung
3.2.3 Elementarvorgänge im Plasma
3.2.4 Auswirkungen der Plasmabehandlung auf Polymeroberflächen
3.3 Physikalische Gasphasenabscheidung
3.3.1 Verdampfen
3.3.2 Sputtern
3.3.3 Ionenplattieren
3.4 Aramidfasern
3.4.1 Herstellung
3.4.2 Struktur und Eigenschaften
3.4.3 Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Faser-Matrix Grenzfläche
3.4.3.1 Plasmabehandlung
3.5 Epoxidharz
4 Experimenteller Teil
4.1 Materialien
4.1.1 Aramid
4.1.2 Epoxidharz
4.2 Plasmabehandlung der Gewebe
4.3 Gewebebeschichtung
4.4 Prüfmethoden
4.4.1 Tropftest
4.4.2 Schälversuch (DIN 60249)
4.4.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)
4.4.4 Rasterelektronenmikroskopie
4.4.4.1 Probenvorbereitung
4.4.4.2 Versuchsdurchführung
5 Ergebnisse
5.1 Tropftest
5.1.1 Versuchsplan 1
5.1.2 Versuchsplan 2
5.2 Peel-Test
5.2.1 Plasmaaktivierung 1
5.2.2 Plasmaaktivierung 2
5.2.3 Beschichtung
5.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)
5.4 Rasterelektronenmikroskopie
5.4.1 Faser
5.4.2 Gewebe
6 Auswertung
6.1 Einfluss der Plasmabehandlung auf die Oberfläche der Aramidfaser
6.2 Einfluss der Beschichtung auf die Faseroberfläche
6.3 Einfluss der Plasmabehandlung auf das Benetzungsverhalten der Epoxidharzmatrix
6.4 Einfluss der Oberflächenmodifikation auf die Haftung zwischen Epoxy und Aramid
7 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht, wie durch gezielte Oberflächenmodifikationen mittels Plasmabehandlung und physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) die Haftung in Aramid/Epoxidharz-Verbundwerkstoffen optimiert werden kann. Die zentrale Forschungsfrage befasst sich mit der Verbesserung der Kraftübertragung an der Grenzfläche zwischen der Aramidfaser und der Matrix, wobei insbesondere die Auswirkungen unterschiedlicher Prozessgase, Behandlungszeiten und Beschichtungsmaterialien wie Titan oder Titanoxid analysiert werden.
- Optimierung der Haftfestigkeit in Aramid/Epoxy-Systemen
- Einsatz von Plasmaaktivierung zur Oberflächenfunktionalisierung
- Physikalische Gasphasenabscheidung zur Grenzflächenmodifikation
- Vergleichende Analyse mittels Schälversuchen und spektroskopischen Verfahren
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Werkstoffe finden seit Beginn der Menschheit ihre Anwendung. So wurden anfänglich Werkzeuge aus Stein verwendet und die Entdeckung neuer Materialien verhalf der Menschheit sich weiter zu entwickeln. Sie brachten Vorteile in Kriegen aber auch im zivilen Bereich. So ist es nachvollziehbar, dass die Werkstoffentwicklung auch heute noch eine wichtige Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Lebensumstände darstellt. Heutzutage begibt sich die Forschung an die Funktionsintegration beziehungsweise an die Maßschneiderung von bereits vorhandenen Werkstoffen, um so gezielt einen Werkstoff zu entwickeln, der auf die Anforderungen passt. Dabei werden mittlerweile immer mehr Verbundwerkstoffe eingesetzt. Angefangen bei Partikelverstärkten Keramiken oder Metallen zur Erzeugung von Hochtemperaturwerkstoffen bis hin zu faserverstärkten Polymeren zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie dem Boots- oder Automobilbau. Selbst im Bereich der Freizeitsportarten haben sich die neuen Materialien etablieren können.
Diese Werkstoffe sind durch ihren großen Anteil der Grenzfläche charakterisiert. Diese bildet die Schnittstelle zwischen der Matrix und dem Verstärkungsmaterial. Ausschlaggebend für eine optimale Verstärkungswirkung ist hierbei die auf den Anwendungsfall optimierte Grenzfläche. Dies wird oftmals auch als Grenzflächendesign bezeichnet und bedeutet letztendlich nichts anderes als eine Maßschneiderung der Grenzflächeneigenschaften. Letzteres ist heute ein starkes Forschungsschwerpunkt, da zum einen immer noch nicht zur Gänze geklärt ist wie sich die Art der Grenzfläche auf die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes auswirkt und zum anderen um dadurch gezielte Funktionen und Verbesserungen am Verbundwerkstoff durchzuführen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die historische Bedeutung der Werkstoffentwicklung und die wachsende Relevanz von Verbundwerkstoffen durch gezieltes Grenzflächendesign.
2 Motivation und Zielsetzung: Erläutert das Leichtbaupotenzial faserverstärkter Kunststoffe und die Notwendigkeit, die Haftung zwischen Aramidfasern und Epoxidharz durch Plasma- und PVD-Verfahren zu steuern.
3 Grundlagen: Behandelt theoretische Konzepte zur Adhäsion, die physikalischen Vorgänge in Plasmen, Techniken der physikalischen Gasphasenabscheidung sowie die Struktur und Eigenschaften von Aramidfasern und Epoxidharzen.
4 Experimenteller Teil: Dokumentiert die verwendeten Materialien, die Anlageneinstellungen für die Plasma- und PVD-Prozesse sowie die angewandten Prüfmethoden wie Tropftest, Schälversuch, XPS und REM.
5 Ergebnisse: Präsentiert die Messdaten aus den durchgeführten Versuchsreihen zur Benetzung, Schälfestigkeit und Oberflächencharakterisierung der behandelten Proben.
6 Auswertung: Analysiert und diskutiert die Einflüsse der Plasmabehandlung und Beschichtung auf die Oberflächeneigenschaften der Fasern, das Benetzungsverhalten und die resultierende Haftfestigkeit.
7 Fazit und Ausblick: Fasst die Hauptergebnisse zusammen und gibt Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen zur mechanischen Grenzflächenoptimierung.
Schlüsselwörter
Aramid, Epoxidharz, Verbundwerkstoff, Plasma, Plasmabehandlung, physikalische Gasphasenabscheidung, PVD, Haftfestigkeit, Adhäsion, Grenzflächendesign, Schälversuch, Oberflächenmodifikation, Faser-Matrix-Haftung, XPS, Rasterelektronenmikroskopie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Haftung zwischen Aramidfasern und einer Epoxidharzmatrix für Verbundwerkstoffe.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Felder umfassen die Oberflächenmodifikation mittels Plasma, die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) von Metallen und Oxiden sowie die mechanische Prüfung der Schälfestigkeit.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, durch eine gezielte Beeinflussung der Faseroberfläche die Grenzflächenhaftung zu erhöhen, um leistungsfähigere Verbundbauteile zu ermöglichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen unter anderem Plasmaaktivierung, PVD-Beschichtung, Tropftests zur Benetzungsprüfung, Schälversuche nach DIN 60249, XPS-Analysen und Rasterelektronenmikroskopie (REM) zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, die methodische Vorgehensweise im experimentellen Teil, die Vorstellung der Ergebnisse und deren wissenschaftliche Auswertung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Aramid, Plasmabehandlung, PVD, Schälfestigkeit und Faser-Matrix-Haftung.
Wie unterscheidet sich die Wirkung von Luft- und Argonplasmen auf die Haftung?
Die Ergebnisse zeigen, dass Luft als Prozessgas im Vergleich zu Argon eine effektivere Aktivierung der Aramidfasern bewirkt und somit zu einer höheren Haftfestigkeit führt.
Welche Rolle spielt die Titandioxid-Beschichtung für die Haftfestigkeit?
Titandioxid nimmt eine Sonderstellung ein: Während andere Beschichtungen die Haftung meist verbessern, sank die Schälfestigkeit bei diesem Material nach einer Plasmavorbehandlung.
Warum ist die Wahl der Prozessparameter bei der Plasmaaktivierung entscheidend?
Die Studie belegt, dass Faktoren wie die Aktivierungszeit und der Gasfluss einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenaktivität und damit die spätere Haftung haben, wobei eine zu lange Behandlung die Faser schädigen kann.
- Citar trabajo
- Ronny Claßen (Autor), 2013, Optimierung der Haftung zwischen Para-Aramid und Epoxidharz mittels Plasmabehandlung und physikalischer Gasphasenabscheidung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/387549
