Charakterisierung, Modellierung und Vorhersage der viskoelastischen Eigenschaften von ausgewählten Duromeren und Faserverbunden am Beispiel des Kriechversuchs

Eggers, Amke Catalina

Bei Duromeren und Faserverbunden liegt auch deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur eine ausgeprägte Viskoelastizität des Materials vor, die bei der Auslegung von konstant beanspruchten Strukturbauteilen aus diesem Werkstoff berücksichtigt werden muss. Jedoch stellt die Charakterisierung der für die Auslegung notwendigen zeitabhängigen Kriechnachgiebigkeit einen Echtzeitversuch dar, der für die Bestimmung des Verhaltens über Jahre ebenfalls diese Zeit in Anspruch nimmt, sodass zur erheblichen Reduzierung des Prüfaufwands eine Methode für die Vorhersage der Kriechnachgiebigkeit benötigt wird. In der Wissenschaft etablierte Modelle zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens weisen Unsicherheiten in der Extrapolation auf lange Zeiten auf. Mithilfe der Zeit-Temperatur-Superposition, die sich die beschleunigte Kriechneigung der Materialien bei erhöhten Temperaturen zunutze macht, sind bisher stark divergierende Ergebnisse in Bezug auf die Vorhersage der Kriechneigung über lange Zeiten erzielt worden, da zwar die Theorie bekannt ist, aber keine einheitlichen Prüf- und Superpositionsvorgaben vorliegen. Dementsprechend finden die Vorhersagemethoden aufgrund der hohen Unsicherheiten und geringen Reproduzierbarkeit keinen Einsatz in der Industrie. Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Am Beispiel des Kriechversuchs werden die viskoelastischen Eigenschaften von Duromeren und Faserverbunden charakterisiert, modelliert und die beschriebenen Vorhersagemethoden tiefgreifend evaluiert. Es wird eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe anhand in der Kunststofftechnik etablierter Kurzzeitmessungen für ein Materialscreening die Kriechneigung näherungsweise eingeschätzt werden kann. Unter der Prämisse eines möglichst geringen Prüfaufwands werden sowohl die Extrapolation viskoelastischer Modelle als auch die Zeit-Temperatur-Superposition ausführlich untersucht und zwei Prozeduren entwickelt, um die Kriechneigung im Rahmen der Probenstreuung exakt für lange Zeiträume vorherzusagen. So wird durch die gewonnenen Erkenntnisse zum viskoelastischen Materialverhalten eine verlässliche Prüfprozedur zur Vorhersage der Kriechneigung generiert, mit der die Prüfzeit von Jahren auf wenige Tage reduziert wird.

Even considerably under the glass transition temperature, thermosets and fibre reinforced plastics show a distinct viscoelastic material behaviour, which must be taken into account while designing structural parts under constant load. However, the characterisation of the therefore needed time dependent creep compliance is a real-time experiment, taking as long as the behaviour is wanted to be known. Therefore, a method for predicting the creep compliance is needed to reduce the testing effort significantly. In science, established models for characterising the viscoelastic behaviour have uncertainties in the extrapolation for long time periods. Time-temperature superposition, utilising the accelerated creep at higher temperatures, delivers up until now highly divergent results for predicting creep over a long time, because, while being familiar with the theory, no consistent specifications for testing or superposition do exist. Accordingly, these predicting methods are not applied in industry, having low reproducibility and high uncertainty. This is, where the work on hand pitches in. The viscoelastic properties of thermosets and fibre reinforced plastics were characterised by means of creep tests, modelled and the described prediction methods were analysed profoundly. A method was developed, with which in case of a material screening the creep can be estimated approximately with the help of known short time measurements in plastic characterisation. Under the premise of a preferably low testing effort, the extrapolation of viscoelastic models and the time-temperature superposition where investigated elaborately and two methods for predicting the long-time creep behaviour in the limits of the sample deviation were developed. In this way, the gained knowledge of the viscoelastic behaviour results in a reliable testing procedure for creep prediction, while reducing the testing time from years to a few days.

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Eggers, Amke Catalina: Charakterisierung, Modellierung und Vorhersage der viskoelastischen Eigenschaften von ausgewählten Duromeren und Faserverbunden am Beispiel des Kriechversuchs. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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