Charakterisierung und Modellierung viskoelastischer Eigenschaften von kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten mit Faser-Matrix Interphase

Abstract

Der Einfluss mikroskopischer Eigenschaften der Faser-Matrix Interphase auf die makroskopische Verbundsteifigkeit ist für kurzfaserverstärkte Thermoplaste nicht hinreichend bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Untersuchung der geometrischen sowie der mechanischen Eigenschaften der Interphase hinsichtlich der Beschreibung linear-viskoelastischer Effekte eines Verbundwerkstoffs durchgeführt. Die erarbeiteten Ergebnisse werden mit einem Fokus auf die Interaktion zwischen mikromechanischer Materialmodellierung und experimenteller Charakterisierung vorgestellt. Einerseits wird zur Beschreibung eines Verbundwerkstoffs mit Interphase ein zweistufiger Modellierungsansatz unter Berücksichtigung anisotroper sowie linear-viskoelastischer Effekte entwickelt. Andererseits werden die Materialparameter des Materialmodells mit experimentellen Methoden zur mikro- sowie makroskopischen Charakterisierung des Verbundwerkstoffs und dem Matrixmaterial identifiziert. Im Vergleich dieser experimentellen Ergebnisse mit den errechneten Verbundwerkstoffeigenschaften kann ein Rückschluss auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs in Abhängigkeit der Interphase getroffen werden. Somit wird in der vorliegenden Arbeit eine inverse Methodik vorgestellt, die mit einer direkten Verknüpfung von realistischer Materialmodellierung und experimentellen Untersuchungen einen neuen Zugang zu unbekannten Werkstoffparametern ermöglicht.

In order to improve the mechanical properties of short fiber composites, the fiber-matrix adhesion is decisive and depends strongly on the intersection region between the fiber and the matrix material. However, no perspicuous information about the influence or mechanical properties of the fiber-matrix interphase in short fiber reinforced thermoplastic composites is available. Thus, the present thesis aims for a systematic identification of the geometrical and mechanical impacts of an interphase on the linear-viscoelastic behavior in short glass fiber reinforced thermoplastics. Thereby, the performed investigations are focused on the interaction between micromechanical material modeling and experimental testing. On the one hand, a two-step modeling approach is developed for the realistic description of an entire three phase composite with interphase including anisotropic and linear-viscoelastic effects. On the other hand, the input of this model is provided by different experimental testing methods ranging from the micro- to the macroscale characterization of the composite and matrix material. By comparing these experimental results with the linear-viscoelastic modeling output, the impact of the interphase on the mechanical properties of the composite is accessible. Thus, it is shown that a realistic material modeling and experimental investigations are closely interlinked.