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Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau

Teilprojekt 3: Fließverhalten nanopartikulärer Epoxidharz-Suspensionen 
Teilprojekt 4: Imprägnierprozess graduell nanopartikelverstärkter Strukturen

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. G. Ziegmann

Förderzeitraum: 05/2014 – 04/2017
Förderstelle: DFG
Förderkennzeichen: Zi 648/42-1

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Tatjana Artys (TP 3), M.Sc. Dilmurat Abliz (TP 4)

Disperse Eigenschaften, wie Primärpartikel- und Aggregatgröße und Partikelgrößenverteilung, Aggregatstruktur, Primärpartikelmorphologie und Oberflächenfunktionalisierung von Partikeln bestimmen wesentlich verarbeitungs- und anwendungstechnische Eigenschaften von Endlosfaser verstärkten Nanokompositen (FVNK). Modelle zur skalenübergreifenden Beschreibung dieses Zusammenhangs existieren aber nur in Ansätzen. Die grundlegende Frage ist zu beantworten, wie sich die dispersen Eigenschaften auf die Strukturbildung entlang der Prozesskette und der gewünschten verarbeitungs- und anwendungstechnischen Eigenschaften auswirken. Wesentliche Parameter, die die verarbeitungstechnischen Grenzen von Nanopartikel-Epoxidharzsuspensionen zu faserverstärkten Nanokompositen bestimmen, sind die Fließeigenschaften der Epoxidharzsuspension und deren Reaktionskinetik. So schränken hohe Suspensionsviskositäten und kurze Reaktionszeiten die Fertigung von großen oder komplexen Bauteilen stark ein. Entscheidend für das Fließverhalten und damit die Verarbeitungsgrenzen sind die Vorgänge und Mechanismen im Mikromaßstab, insbesondere an fest/flüssig-Grenzflächen. Für die Reaktionszeit sind vor allem die Wechselwirkungen zwischen Partikeln und dem umgebenden Fluid von besonderer Bedeutung. Diese Wechselwirkungen im Mikromaßstab können über die Kopplung von CFD- und DEM-Simulationen und Verwendung geeigneter Kontaktmodelle für die Wechselwirkungen beschrieben werden. Zur Beschreibung der rheologischen Eigenschaften in Nanopartikel-Epoxidharzsuspensionen werden im TP3 Modelle aufgestellt und verifiziert, die den wichtigen und anspruchsvollen Ansatz der skalenübergreifenden Beschreibung erfüllen. Die Modelle werden Funktionen von Aggregatstruktur, Primärpartikel¬morphologie, Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und Reaktionszeit sein. Damit ist das Teilprojekt 3 in die zweite Ebene der Forschergruppe, Einfluss der Nanopartikel auf die Verarbeitung des Polymers, eingeordnet.

Die Hauptaufgaben des TP4 liegen in der Gestaltung der Preform und Entwicklung von neuen Angussstrategien, um einen Gradientenwerkstoff mit definierter Partikelverteilung und infolgedessen
mit gezielt eingestellten mechanischen Eigenschaften in Liquid-Composite-Moulding-Verfahren (LCM-Verfahren) wie dem Resin-Transfer-Molding (RTM) und der Vacuum-Assisted Resin-Infusion (VARI) herstellen zu können. Permeabilitätsmessungen dienen den experimentellen Untersuchungen, wie eine NP-gefüllte Epoxidmatrix während der Harzinfusion die Imprägnierung des Preforms beeinflusst. Die empirisch ermittelten Daten werden anschließend für die Charakterisierung und Modellierung des Einflusses von Nanopartikeln auf die Fließeigenschaften bei der Bauteilfertigung verwendet und anhand von mikroskaliger Simulation des Fließens der NP-verstärkten unausgehärteten Epoxidmatrix in einer Rovingstruktur dargestellt. Die in TP4 erzielten Ergebnisse beziehen sich eng auf die Erkenntnisse aus TP3 und werden wiederum den Partnern in TP5 und 6 die Basis liefern, um Einflussfaktoren der Nanopartikel auf den Faserkunststoffverbund durch geeignete Prüfmethodik nachzuweisen und notwendige Fertigungskonzepte zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit TP1 soll der Einfluss der Nanopartikel auf die Fließeigenschaften bzw. Partikelbewegung während der Imprägnierung mit analytischen Methoden dargestellt werden.

Abbildung 1 Übersicht der Multiskalensimulation der rheologischen Eigenschaften in Teilprojekt TP 3
 

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