Biocomposites made from biodegradable polymer as matrix and natural fiber as reinforcement are certainly environmentally friendly materials. Both constituent materials are fully biodegradable and do not leave any noxious components on Earth. The natural fibers have been used as reinforcement due to their advantages compared to glass fibers such as low cost, high specific strength and modulus, low density, renewability and biodegradability. Major aims of this work were to produce natural fibers and/or nanoparticles with polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polylactide (PLA), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) matrices and determine their structure-property relationships. Following abstracts of the present research work are manifold: BINARY COMPOSITES Polylactide (PLA)/flax mat composites The polylactide (PLA)/flax mat and modified PLA/flax mat composites were produced by hot press technique. Two additives of non-regulated wax/ethylene acrylate copolymer/butyl acrylate and acrylic were used as modifier for PLA. The dispersion of the flax mat in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical and thermal properties of the composites were determined in tensile test, thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the PLA based composites increased the impact resistance. The tensile strength value of modified PLA/flax mat composite decreased slightly compared to the PLA. The elongation at break data indicated that an improvement in ductility of modified PLA and its composites. Moreover, addition of thermal modifier enhanced thermal resistance below processing temperature of PLA and had a marginal effect on the glass transition temperature of PLA. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The principle of linear viscoelastic material was fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance for all systems studied. Polylactide (PLA)/woven flax textiles composites The polylactide (PLA)/woven flax textiles 2x2 twill and 4x4 hopsack composites were produced by interval hot press technique. Two weave styles of flax used to reinforce in PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was inspected in scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical properties (tensile, stiffness and strength) of the composites were determined in tensile and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) tests, respectively. SEM observed that the interfacial gaps around pulled-out fibers were improved when produced by the interval hot press. It was also found that the both styles of flax composites increased the impact resistance compared to the neat PLA. The tensile strength and stiffness value of PLA/flax composites were markedly higher than that of the neat PLA and reflect the effects of composite structures. The calculated storage creep compliance was constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The calculated creep response of these flax composites was much lower than that of the neat PLA. Polyethylene and polypropylene/nano-silicon dioxide/flax composites Composites composed of polylactide (PLA), modified PLA and woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) were produced by hot press technique. Two structurally different additives used to modify PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and computed microtomography system (µCT). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The thermomechanical and creep properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA)and short-time creep tests, respectively. It was found that the modified PLA and its composite increased the impact resistance compared to the unmodified PLA. Incorporation of flax decreased resistance to thermal degradation and increased water uptake. The impact energy and stiffness value of PLA/flax composites was markedly higher than that of PLA but reflect the effects of composite structures and flax content. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. From the master curve data, the effect of modified PLA on the storage modulus was more pronounced in the low frequencies range. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites The textile biocomposites made from woven and non-woven flax fibre reinforced poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) were prepared by compression moulding using film stacking method. The mechanical properties (such as tensile strength and stiffness, flexural strength and modulus, and impact strength) of textile biocomposites were determined in tensile, flexural and impact tests, respectively. The PBAT-based composites were subjected to water absorption. The comparison of the mechanical properties was made between pure PBAT and textile composites. The influence of flax weave styles on the mechanical properties was also evaluated. The results showed that the strength of the textile biocomposites was increased according to weave types of fibers, especially in the stiffness was significantly increased with the higher densification of the fibers. The 4x4-plain woven fibers (4-yard-wrap and 4-yard-weft weave direction) reinforced biocomposite indicated the highest strength and stiffness compared to the other textile biocomposites and pure PBAT. This was considered to be as the result of the character of weave style of 4x4-plain woven fibers. The aminopropyltriethoxysilane affected the mechanical properties and water absorption of the resulting composites laminates due to the surface compatibility between flax fiber and PBAT. HYBRID COMPOSITES Polyethylene/nanoparticle, natural and animal composites Binary and ternary composites composed of high-density polyethylene (HDPE), boehmite alumina (BA) and different kinds of natural-, animal fibers, like flax, sponge gourd (SG), palm and pig hair (PH) were produced by hot press technique. Aqueous BA suspensions were sprayed on the HDPE/flax mat to prepare nanoparticle/natural fiber reinforced ternary polymer composites followed by drying. The dispersion of the natural-, animal fibers and BA particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and discussed. The thermomechanical and stress relaxation properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and short-time stress relaxation tests (performed at various temperatures), respectively. The HDPE based composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. It was found that the all composites systems increased the stiffness, stress relaxation and reduced the impact toughness. The stress relaxation modulus of natural-, animal fiber composites were higher compared to that of the neat HDPE. This modulus increased greatly with in corporation of BA. The relaxation master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The inverse of Findley power law could fairly applicable to describe the relaxation modulus vs. time traces for all systems studied. Incorporation of BA particles enhanced the thermal resistance which started to degrade at higher temperature compared to the HDPE/flax mat composite. The HDPE/flax mat/BA composite could reduce the water uptake. Polyethylene/Flax/SiO2 Composites Composites composed of high-density polyethylene (HDPE), woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press with nano spraying technique. The SiO2 slurries were sprayed by a hand onto the both surface of the woven flax fiber. The HDPE /woven flax fibers composites with and without used nano-spraying technique were produced by hot pressing in a laboratory press. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal resistance, stiffness and tensile strength properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and tensile tests, respectively. It was found that the impact energy and stiffness value of HDPE/flax composites was markedly higher than that of HDPE but reflect the effects of composite structures and flax content. Incorporation of SiO2 particles enhanced resistance to thermal degradation. It was established that the linear viscoelastic material principle are fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance results. Un- and Modified Polylactide (PLA) /woven Flax Fiber composites Hybrid composites composed of polypropylene (PP) or high-density polyethylene (HDPE), different flax fibers (unidirectional-, biaxial and twill2x2) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press technique. The ternary polymer composite was effectively fabricated by spraying SiO2 solvents onto the surface of flax fiber. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related PP and HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal and mechanical properties of the composites were determined by thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), creep and stress relaxation tests, respectively. It was found that thermal decomposition temperature of the PP or HDPE/flax composites increased by the addition of SiO2 particles. The impact energy, stiffness, creep resistance and relaxation modulus value of all flax composites increased markedly compared to the PP and HDPE matrix. Time–temperature superposition (TTS) was applied to estimate the creep and relaxation modulus of the composites as a function of time in the form of a master curve. The activation energies for the all PP and HDPE composites systems studied were also calculated by using the Arrhenius equation. The generalized Maxwell model was fairly applicable to the stress relaxation results. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites Composites composed of polylactide (PLA), woven flax fiber textiles (weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and boehmite alumina (BA) were produced by hot press. The spraying technique served for the pre-dispersion of the alumina nanoparticles. The aqueous alumina slurry was produced by mixing the water with water dispersible alumina. The dispersion of the flax structures and alumina particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The creep and thermomechanical properties of the composites were determined in short-time creep tests (performed at various temperatures), thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the incorporation of alumina particles reduced the water uptake compared to the PLA/flax blends. The impact energy and stiffness value of PLA/flax blends was markedly higher than that of PLA but reflected the effects of composite structures. Incorporation of alumina particles enhanced storage modulus and the creep resistance compared to the PLA/flax blends but slightly incremented thermal resistance at high temperature. No clear trend in the flax weave style- effect was found in the thermal behaviour. The creep master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The Findley power law could satisfactorily describe the creep compliance vs. time traces for all systems studied. Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)/sisal natural fiber/clay composites Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) biocomposites different sisal containing with the fiber length of 0.25 and 5 mm, and addition of clay particles were prepared by hot compression technique. Silane (Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) treatment has been used to modify in order to enhance the properties of related hybrid composites. The all composites were subject to water absorption test. The mechanical properties of hybrid composites such as tensile stiffness and strength, toughness and hardness determined in tensile, impact and hardness tests, respectively. It was found that tensile strength, stiffness and impact strength of long sisal fiber improved with increasing fiber content. Hardness of short sisal fiber improved with increasing fiber content. Treated Silane of long fibers at 20 wt.% loading was found to enhance the tensile strength fiber by 10% and impact strength by 750% as compared to the neat PHBV. Note that this feature was also confirmed by the appearance of a scanning electron microscopy. Moreover, the hardness and water resistance of the PHBV/sisal composites increased by the addition of clay particles. The diffusion coefficient for the PHBV and hybrid composites systems studied were also calculated. / Bioverbundwerkstoffe aus biologisch abbaubarem Polymer als Matrix und Naturfasern als Verstärkung sind ohne weiteres umweltfreundliche Materialien. Beide Bestandsmaterialien sind vollständig biologisch abbaubar und hinterlassen keine schädlichen Bestandteile auf der Erde zurück. Die als Verstärkung verwendeten Naturfasern wurden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Glasfasern, wie z.B. geringe Kosten, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, geringe Dichte, Erneuerbarkeit und Kompostierbarkeit ausgesucht. Der Hauptfokus dieser Arbeit lag darin Naturfasern und/oder Nanopartikel mit Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polylactid (PLA) herzustellen, sowie Poly-Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV) Matrizen und deren Struktur-Eigenschaft-Verhältnis zu bestimmen. Die folgenden Kurzfassungen der vorliegenden Forschungsarbeit sind vielfältig: BINÄRE VERBUNDWERKSTOFFE Polylactid (PLA)/ Flachsmatten-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachsmatte und modifizierte PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe wurden im Pressverfahren hergestellt. Als Modifikator für das PLA wurden zwei nicht regulierte Wachs/Ethylen-Acrylat-Copolymer/Butyl-Acrylat und Acryl Additive verwendet. Die Verteilung der Flachsmatte in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden im Zugversuch, der thermogravimetrische Analyse (TGA) und der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) jeweils bestimmt. Es zeigte sich, dass die PLA/Flachsmatten-basierten Verbundwerkstoffe eine erhöhte Schlagzähigkeit aufwiesen. Die Zähigkeitswerte der modifizierten PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe waren leicht verringert im Vergleich zum PLA. Die Bruchdehnungswerte zeigten eine Verbesserung der Verformbarkeit des modifizierten PLAs und dessen Verbundwerkstoffe. Nach Zugabe eines Wärme-Modifikators verbesserte sich der Wärmewiderstand auf unter Verarbeitungstemperatur des PLA und hatte nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur des PLA. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit der Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) aufgestellt. Auf alle untersuchten Systeme konnte das dafür gut geeignete Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe angewendet werden um die Steifigkeit in die Kriechneigung umzuwandeln. Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung-Verbundwerkstoffe wurden im Intervall-Pressverfahren hergestellt. Das PLA wurde mit zwei Flachsgewebeformen verstärkt. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstrukturen in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Steifigkeit und Festigkeit) der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Zugversuchen und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Das Rasterelektronenmikroskop zeigte auf, das der Grenzflächenzwischenraum von rausgezogenen Fasern sich durch das Herstellen im Intervall-Pressverfahren verbessert hat. Auch zeigte sich, dass beide Arten der Flachs-Verbundwerkstoffe die Schlagzähigkeit der Verbundwerkstoffe erhöht im Vergleich zum puren PLA. Die Zugfestigkeit- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe waren deutlich höher als die der puren PLA und spiegeln die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Die berechnete Kriechneigung im Speichermodul wurde durch die Anwendung des Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzips aufgestellt. Die errechnete Kriechgeschwindigkeit der Flachs-Verbundwerkstoffe war wesentlich geringer als im puren PLA. Polyethylen und Polypropylen/Nanosilikon Dioxid/Flachs-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe hergestellt aus Polylactid (PLA), modifiziertem PLA und Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform von 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) wurden im Pressverfahren hergestellt. Zwei strukturell unterschiedliche Additive wurden verwendet um das PLA zu modifizieren. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstruktur wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und dem computergestütztes Computer-Tomography-System (µCT) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Kriechversuch bestimmt. Das modifizierte PLA und dessen Verbundwerkstoffe zeigten eine Erhöhung der Schlagzähigkeit im Vergleich zum unmodifizierten PLA. Die Einbindung von Flachs verringerte den Widerstand gegenüber thermischer Degradierung und erhöhte die Wasseraufnahme. Die Schlagenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe war deutlich höher als die der PLA aber spiegelt die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen mit Flachsinhalt wieder. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Datenmaterial der Hauptkurve zeigte den Effekt des modifizierten PLAs auf dem Speichermodul deutlich ausgeprägter im Bereich der Niederfrequenz. Polylactide (PLA)/Flachfasertextilgewebe/Böhmit Aluminumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Die textilen Bioverbundwerkstoffe wurden aus flachsfaserverstärkten Poly(Butylen Adipat-Co-Terephtalat) (PBAT) Gewebe und Vlies im Formpressverfahren mit der Folien-Stapelmethode hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften (wie Zugfestigkeit und Steifigkeit, Biegefestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit) der jeweiligen textilen Bioverbundwerkstoffe wurde in Zug-, Biege-, und Schlagtests ermittelt. Die PBAT basierten Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften wurde zwischen reinem PBAT und textilen Verbundwerkstoffen durchgeführt. Der Einfluss der Flachsgewebeformen auf die mechanischen Eigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse zeigten das die Festigkeit der textilen Bioverbundwerkstoffe mit der Webart der Fasern anstieg, signifikant in Bezug auf die Steifigkeit bei einer erhöhten Verdichtung der Fasern. Die 4x4 flachfasergewebten (4-Schussfaden-Windung und 4-Kettfaden-Windung) verstärkten Bioverbundwerkstoffe zeigten die höchste Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu den anderen textilen Bioverbundwerkstoffen und dem puren PBAT. Dieses Resultat wurde der Beschaffenheit der 4x4-flachfasergewebten Webart zugewiesen. Das Aminopropyltriethoxysilan beeinträchtigte die mechanischen Eigenschaften und Wasseraufnahme der entstandenen Verbundlaminate durch Oberflächenkompatibilität zwischen der Flachsfaser und dem PBAT. HYBRIDE VERBUNDWERKSTOFFE Polyethylen/Nanopartikel, natürliche und tierische Verbundwerkstoffe Binäre und ternäre Verbundwerkstoffe, bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Böhmit Aluminumoxid (BA) und verschiedenen natürlichen und tierischen Fasern wie Flachs, Schwammgurke (SG), Palmfaser und Schweinehaar (PH), wurden im Pressverfahren hergestellt. Vorbereitend wurden wasserhaltige BA-Suspensionen auf die HDPE/Flachsmatte gesprüht um nanopartikel/naturfaserverstärkte ternäre Polymer-Verbundwerkstoffe nach dem Trocknen zu erhalten. Die Verteilung der Natur-,Tierfasern und der BA-Partikel in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht und diskutiert. Die thermomechanischen und Spannungsrelaxation-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Stressrelaxationstest (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt) bestimmt. Die HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Es wurde festgestellt, dass alle Verbundwerkstoffsysteme eine Erhöhung der Steifigkeit und Spannungsrelaxation und eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit aufzeigten. Die Spannungsrelaxations-Steifigkeit von Naturfaser-, Tierfaserverbundwerkstoffen war größer im Vergleich zu reinem HDPE. Diese Steifigkeit steig deutlich an mit der Einbindung von BA. Die Hauptkurven der Relaxation wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Die Umkehrung des Findley Potenzgesetzes konnte gut für die Beschreibung der Relaxations-Steifigkeit vs. Zeitüberwachung in allen untersuchten Systemen angewendet werden. Die Einbindung der BA-Partikel erhöhte den Wärmewiderstand, welcher bei höherer Temperatur zu sinken begann im Vergleich zu HDPE/Flachsmatten-Verbundwerkstoff. Der HDPE/Flachsmatte/BA-Verbundwerkstoff konnte die Wasseraufnahme verringern. Polyethylen/Flachs/SiO Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren mit Nanospritztechnik hergestellt. Die SiO2 Schlämme wurden auf beide Oberflächen des Flachsfasergewebes per Hand gesprüht. Die HDPE/ Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe wurden in einer Laborpresse im Pressverfahren mit und ohne Nanospritztechnik hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Der Wärmewiderstand, Steifigkeit- und Zugfestigkeit-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) und Zugversuchen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Aufprallenergie und Steifigkeitswerte der HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe deutlich höher als die des HDPE waren aber die Effekte von Verbundwerkstoffen mit Flachsinhalt widerspiegeln. Die Einbindung von SiO2-Partikeln erhöhte den Widerstand von thermischer Degradierung. Es wurde bestimmt, das das Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe gut anwendbar auf die Umwandlung der Steifigkeit zu Kriechneigungsergebnissen ist. Modifizierte und nicht modifizierte Polylactid (PLA)/Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe Hybride Verbundwerkstoffe aus Polypropylen (PP) oder hoch-dichtem Polyethylen (HDPE), verschiedenen Flachsfasern (unidirektional, biaxial und 2x2 Körper) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren hergestellt. Der ternäre Polymer-Verbundwerkstoff wurde wirkungsvoll durch das Aufbringen von SiO2 Lösemitteln auf die Oberfläche der Flachsfaser hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen PP- und HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurde in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA), Kriech- und Spannungsrelaxations-Tests bestimmt. Es zeigte sich, dass die thermische Zersetzungstemperatur der PP oder HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe durch das Auftragen der SiO2-Partikel ansteigt. Die Aufprallenergie-, Steifigkeit-, Kriechbeständigkeit- und Relaxation-Steifigkeitn-Werte aller Flachs-Verbundwerkstoffe stiegen deutlich an im Vergleich zur PP und HDPE Matrix. Die Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) wurde angewandt um die Kriech- und Relaxation-Steifigkeit für die Verbundwerkstoffe als Funktion der Zeit in Form einer Hauptkurve zu schätzen. Die Aktivierungsenergien aller untersuchten PP und HDPE-Verbundwerkstoffsysteme wurden mit der Arrhenius Gleichung errechnet. Das generalisierte Maxwell Model war gut auf die Spannungsrelaxationsergebnisse anwendbar. Polylactide (PLA)/Flachsfasertextilgewebe/Böhmit Aluminiumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus Polylactid (PLA), Flachfasertextilgewebe (Gewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Böhmit Aluminium (BA) wurden im Pressverfahren hergestellt. Für die Vordispergierung der Aluminiumoxid-Nanopartikel wurde die Spritztechnik angewendet. Die wasserhaltigen Aluminiumoxid-Schlämme wurden durch das Vermischen von Wasser mit wasserdispergierbarem Aluminiumoxid hergestellt. Die Verteilung der Flachsstrukturen und Aluminiumoxid-Partikeln in den Verbundwerkstoffen wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Kurzzeit-Kriechversuchen (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt), thermogravimetrischen Analysen (TGA) und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Es zeigte sich, dass das Einbringen der Aluminiumoxid-Partikel die Wasseraufnahme im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen reduziert. Die Aufprallenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Gemische waren signifikant höher als die des PLA aber spiegelten die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Das Einbringen von Aluminiumoxid-Partikeln verbesserte die Lagerungs-Steifigkeit und die Kriechbeständigkeit im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen, erhöhte allerdings leicht den Wärmewiderstand bei hohen Temperaturen. Kein klarer Trend in der Flachswebart konnte dem Temperaturverhalten zugeordnet werden. Die Kriech-Hauptkurven wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Findley Potenzgesetz konnte zufriedenstellend die Kriechneigung vs. Zeitüberwachung für alle untersuchten Systeme beschreiben. Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat)/Natursisalfaser/Ton-Verbundwerkstoffe Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat) (PHBV) Bioverbundwerkstoffe die Sisalfasern in Längen von 0,25 und 5 mm und Ton-Partikeln enthalten wurden im Heißpressverfahren hergestellt. Die Silan (Bis(Trithoxysilylpropyl)Tetrasulfide) Behandlung wurde für die Modifizierung verwendet um die Eigenschaften von ähnlichen hybriden Verbundwerkstoffen zu verbessern. Alle Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen hybriden Verbundwerkstoffe wie Zugsteifigkeit und Festigkeit, Zähigkeit und Härte wurden in Zugversuchen, Schlagtests und Härteprüfungen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Zugfestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit von langen Sisalfasern sich mit der Erhöhung des Fasergehalts verbessert. Behandeltes Silan von langen Fasern mit 20 wt.% Belastung zeigte eine Verbesserung der Faser-Zugfestigkeit um 10% und Schlagzähigkeit von 750% im Vergleich zu reinem PHBV. Diese Besonderheit wurde auch von einem Rasterelektronenmikroskop bestätigt. Weiterhin ist die Härte und Wasserbeständigkeit in PHBV/Sisal-Verbundwerkstoffen durch das Einbringen von Ton-Partikeln angestiegen. Die Diffusionskoeffizienten für die untersuchten PHBV- und hybriden Verbundwerkstoffsysteme wurden auch errechnet.

The Route 601 Bridge in Sugar Grove, Virginia spans 39 ft over Dickey Creek. The Bridge is the first to use the Strongwell 36 in. fiber reinforced polymer (FRP) double web beam (DWB) in its superstructure. Replacement of the old bridge began in June 2001, and construction of the new bridge was completed in October 2001. The bridge was field tested in October 2001 and June 2002. This thesis details the field evaluation of the Rt. 601 Bridge. Using mid span deflection and strain data from the October 2001 and June 2002 field tests, the primary goal of this research was to determine the following AASHTO bridge design parameters: wheel load distribution factor g, dynamic load allowance IM, and maximum deflection. The wheel load distribution factor was determined to be S/5, a dynamic load allowance was determined to be 0.30, and the maximum deflection of the bridge was L/1500. Deflection results were lower than the AASHTO L/800 limit. This discrepancy is attributed to partial composite action of the deck-to-girder connections, bearing restraint at the supports, and contribution of guardrail stiffness. Secondary goals of this research were to quantify the effect of diaphragm removal on girder distribution factor, determine torsion and axial effects of the FRP girders, compare responses to multiple lane symmetrical loading to superimposed single lane response, and compare the field test results to a finite element and a finite difference model. It was found that diaphragm removal had a small effect on the wheel load distribution factor. Torsional and axial effects were small. The bridge response to multilane loading coincided with superimposed single lane truck passes, and curb-stiffening effects in a finite difference model improved the accuracy of modeling the Rt. 601 Bridge behavior. / Master of Science

The Route 601 Bridge spans 39 ft over Dickey Creek in Sugar Grove, VA and represents the first use of Strongwell's 36 in. double web beam (DWB) as the main load carrying members for a traffic bridge. The bridge was designed for AASHTO HS20-44 and AASHTO alternate military loading with a targeted deflection limit of L/800. For the preliminary design, conservative properties for the 36 in. DWB were assumed based on experience at Virginia Tech with Strongwell's 8 in. DWB used in the Tom's Creek Bridge. An elastic modulus (E) of 6,000 ksi and a shear stiffness (kGA) of 20,000 ksi-in2 were assumed and used with Timoshenko shear deformable beam theory to characterize the beams and determine the deflections. This thesis details the experimental work conducted in conjunction with the design of the Route 601 Bridge, which had two goals. First, a deck-to-girder connection was tested to determine if a bolted connection could develop composite action between the girder and the deck. This connection was shown to provide a significant amount of composite action when used with the 8 in. DWB and a composite deck, but little or no composite action when used with the 36 in. DWB and a glue-laminated timber deck. Second, eleven 36 in. DWB's were tested to determine their stiffness properties (EI and kGA) to insure that these properties were above the values assumed in the preliminary design, and all the beams had stiffness properties that were close to or above the assumed values. The eleven beams were also proof tested to a moment equivalent to five times the service load moment to insure the safety of the Route 601 Bridge, and one beam was tested to failure to determine the failure mode and residual stiffness of the 36 in. DWB. Finally, based on these results eight beams were chosen for the Route 601 Bridge. / Master of Science

The ultra high barrier films for packaging find applications in a wide variety of areas where moisture and oxygen barrier is required for improved shelf-life of food/beverage products and for microbial free pharmaceutical containers. These materials also find applications in micro electro mechanical systems such as ICs, and for packaging in industrial and space electronics. Flexible and portable organic electronics like OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), OPVDs (Organic Photo Voltaic Devices) and dye sensitized solar cells (DSSCs) have a good potential in next generation solar powered devices. In fact, organic insulators, semiconductors, and metals may be a large part of the future of electronics. However, these classes of materials are just an emerging class of materials mainly because of their life time constraints. Thus significant research is required to bring them into the forefront of electronic applications. If the degradation problems can be diminished, then these polymers could play a major role in the worldwide electronic industry. A flexible polymer film itself cannot be used as an encapsulation material owing to its high permeability. While a glass or metal substrate possesses ultra high barrier properties, it cannot be used in many electronic applications due to its brittleness and inflexibility. Polymer/ nanocomposites based hybrid materials are thus a promising class of material that can be used for device encapsulation. Chapter I summarizes some of the recent developments in the polymer/nanocomposites based materials for packaging and specifically its use in flexible as well as portable organic electronic device encapsulation. While the development of low permeable encapsulant materials is a chemistry problem, an engineering/instrumentation problem is the development of an accurate technique that can measure the low levels of permeability required for electronic application. Therefore, there is a keen interest in the development of an instrument to measure permeability at these limits. The existing techniques to measure the low permeabilities of barrier films, their importance and accuracy of measurements obtained by these instruments have been briefly discussed in this chapter. Different polymer based hybrid composite materials have been developed for the encapsulation of organic devices and their materials properties have been evaluated. Broadly, two diverse strategies have been used for the fabrication of the composites: in-situ curing and solution casting. Chapters II, III and IV discuss the fabrication of nanocomposite films based on in-situ curing while chapter V discusses fabrication based on solution casting. In chapter II, amine functionalized alumina was used as a cross-linking agent and reinforcing material for the polymer matrix in order to fabricate the composites to be used for encapsulation of devices. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy were used to elucidate the surface chemistry. Thermogravimetric and CHN analysis were used to quantify the grafting density of amine groups over the surface of the nanoparticles. Mechanical characterizations of the composites with various loadings were carried out with dynamic mechanical analyzer (DMA). It was observed that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility, which are important for an encapsulant. The morphology of the composites was evaluated using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The work presented in chapter III is a technique based on grafting between surface decorated γ-alumina nanoparticles and the polymer to make these nanocomposites. Alumina was functionalized with allyltrimethoxysilane and used to conjugate polymer molecules (hydride terminated polydimethylsiloxane) through platinum catalyzed hydrosilylation reaction. As in the previous chapter, the surface chemistry of the nanoparticles after surface modification was characterized by different techniques (FTIR, XPS and Raman). The grafting density of alkene groups over the surface of the modified nanoparticles was calculated using CHN analyzer. Thermal stability of the composites was also evaluated using thermogravimetric analysis. Nanoindentation technique was used to analyze the mechanical characteristics of the composites. The densities of the composites were evaluated using density gradient column and the morphology of composites was evaluated using SEM. All these studies reveal that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility and thus can be potentially used for encapsulation of organic photovoltaic devices. In addition, rheological studies of the composites were carried out to investigate the curing reaction. The platinum-catalyzed hydrosilylation reaction was studied using both DSC and rheological measurements. The competitive reactions occurring in the system was also monitored in real time through DSC and rheology. Based on the curing curves obtained from these two studies, the mechanistic detail of the curing process was proposed. In addition, swelling studies and contact angle measurements of the composites were also carried out to determine the capability of these materials as encapsulants. Chapter IV deals with a thermally stable and flexible composite that has been synthesized by following a hydrosilylation coupling between silicone polymer containing internal hydrides and mesoporous silica. The results of the characterization of the composites indicates that the composites are thermally stable, hydrophobic, flexible and can be potentially used for encapsulating flexible electronic devices. Chapter V discusses the solution casting method for the development of composites. This chapter is divided into two parts: Part I discusses the synthesis and characterization of flexible and thermally stable composites using polyvinyl alcohol as the base polymer matrix and reactive zinc oxide nanoparticles as the dispersed phase. Various studies like thermal analysis, mechanical analysis, surface analysis and permeability studies were used to characterize the composite films for their possible use as a passivation material. The material was used to encapsulate Schottky structured devices and the performance of these encapsulated devices under accelerated weathering was studied. Part II of this chapter discusses the fabrication of hybrid organic/inorganic based polymer-composite films, based on polyvinylbutyral (PVB) and organically modified mesoporous silica. PVB and amine functionalized mesoporous silica were used to synthesize the composite. An additional polyol (‘tripentaerythritol’) component was also used to enhance the –OH group content in the composite matrix. The thermal, barrier and mechanical properties of these composites were investigated. The investigation of these films suggests that these can be used as a moisture barrier layer for encapsulation. Chapter VI gives the concluding remarks of the results presented. The advantages as well as disadvantages of the in-situ cured and solution casted films and the scope for future work is discussed in this chapter.

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffklassen ermöglichen Hybridverbunde die Entwicklung von Strukturbauteilen, die sich beispielsweise durch eine hohe Festigkeit bei einem gleichzeitig geringen Gewicht auszeichnen. Trotz des großen Einsatzpotentials wurden Hybridverbunde, begründet durch eine kostenintensive und zeitaufwendige Fertigung, bislang nicht für Großserienbauteile vorgesehen. Mit der Konzeption intrinsischer, das heißt einstufiger, Produktionsprozesse wird es jedoch gelingen die Attraktivität zu steigern und damit die Anwendung von Hybridverbunden unter anderem auch in der Automobilindustrie zu etablieren. Exemplarisch soll im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines intrinsischen Hybridverbundes für crashbelastete Strukturbauteile simulativ begleitet werden. Der dabei betrachtete Hybridverbund besteht aus einem endlosfaserverstärktem Kunststoff, in den ein metallischer Einleger eingebracht ist. Zur Realisierung der Anbindung der Komponenten sieht das Konzept des Hybridverbundes die Kombination von Form- und Stoffschluss vor. Dabei resultiert der Stoffschluss aus der Beschichtung des metallischen Einlegers, die die Ausbildung eines Interface bewirkt. Zur Realisierung des Formschlusses werden während des überlagerten Umformprozesses lokal Formschlusselemente des metallischen Einlegers in den endlosfaserverstärkten Kunststoff gepresst. Dadurch weisen die resultierenden Bauteile eine komplexe innere Struktur auf, die die simulative Analyse und damit die Bauteilauslegung erschwert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung und Simulation dieses intrinsischen Hybridverbundes. Dazu ist zunächst das Materialverhalten aller Komponenten durch adäquate Materialmodelle für große Deformationen abzubilden. Für deren Entwicklung wird ein Konzept zur Materialmodellierung aufgegriffen und erweitert, das die Formulierung auf der Basis direkt verschalteter rheologischer Elemente ermöglicht. Nach entsprechenden Parameteridentifikationen werden die Materialmodelle im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen eines aus dem Hybridverbund gefertigten Demonstratorbauteils angewendet. Dabei ermöglicht das Vorgehen zur Modellerstellung die Berücksichtigung und Bewertung von Einflüssen der intrinsischen Fertigung auf das Bauteilverhalten. / Hybrid parts, combining for example low weight with high strength, are based on the combination of different material classes. Despite an enormous potential for applications, hybrid composites are not well established for large series parts due to the expensive and complex production. To increase the number of applications, intrinsic, i.e. single-step, manufacturing processes are designed. Within this work, the development of an intrinsic hybrid composite for crash-relevant structural parts is supported by simulations. The considered hybrid composite is made up of a fibre-reinforced polymer, in which a metallic insert is integrated. The connection between these components is based on a combination of geometrical form fit and adhesive bonding. On one hand, adhesive bonds result from a coating of the metallic insert. On the other hand, local form fit elements are pressed into the fibre reinforced polymer during the global forming process. Consequently, the resulting parts, manufactured in just one step, show a complex inner structure, which make simulative analyses and dimensioning more difficult. Within the work at hand, the main research goal is the modelling and simulation of this intrinsic hybrid composite. To this end, the mechanical behaviour of all individual components has to be described by appropriate material models at large strains. For those developments, a concept of material modelling, which enables the formulation based on directly connected rheological elements, is adopted and extended. After identifying the according material parameters, these material models are applied within finite element simulations of a demonstrator made up of the hybrid composite. Thereby, the applied procedure for creating finite element models allows to consider and evaluate how the intrinsic manufacturing process affects the mechanical behaviour of the parts.

Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff weist ausgezeichnete thermische, mechanische und chemische Eigenschaften auf. Aufgrund seiner Faserarchitektur und Porosität zeigt dieser eine mit metallischen und polymeren Werkstoffen vergleichbar hohe Schadenstoleranz. Die Herstellung komplexer Leichtbaustrukturen aus C/C-Verbunden ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Ein neuer Ansatz stellt die Integration geometrisch simpler C/C-Verbunde in komplexe, problemlos zu realisierende polymere Strukturen dar. Ein derartiges Werkstoffkonzept vereint die Vorteile seiner Komponenten in einem ganzheitlichen Werkstoffsystem. Einen Nachteil stellt jedoch die geringe wechselseitige Adhäsion seiner Komponenten dar. Die Innovation dieses Beitrags stellt sich einerseits der Herausforderung die mechanischen Eigenschaften der C/C-Verbunde in Abhängigkeit der intrinsischen Porosität zu beeinflussen. Dies geschieht durch Veränderung der chemischen und physikalischen Vernetzungsbedingungen des Matrixprecursors. Andererseits soll die dadurch herrührende inhärente Porosität zur Vergrößerung der wirksamen äußeren Oberfläche und zur gezielten Verbesserung der Adhäsion zum Polymer führen. Es wird ein Kohlenstoffprecursor mit variabler offener Porosität entwickelt und daraus neuartige verschiedenporöse C/C-Verbunde hergestellt und untersucht. Im Anschluss werden die verschiedenporösen C/C-Verbunde mit ausgewählten Polymeren unter definierten Konsolidierungsparametern thermisch gefügt und deren wechselseitiges Adhäsionsverhalten bewertet.:ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN I ABBILDUNGSVERZEICHNIS VI TABELLENVERZEICHNIS XI I EINLEITUNG UND MOTIVATION 1 II STAND DER TECHNIK 3 II 1 Hybride Polymer/Keramik - Werkstoffverbunde 3 II 1.1 Grundlagen zur Adhäsion 3 II 1.1.1 Adhäsionsmodelle 3 II 1.1.2 Keramik/Polymer-Grenzflächentypen 7 II 1.2 Konstruktionsprinzipien 8 II 1.2.1 Differentialbauweise 8 II 1.2.2 Integralbauweise 8 II 1.2.3 Mischbauweise 8 II 1.2.4 Hybridbauweise (hybride Werkstoffverbunde) 8 II 1.3 Fertigungsverfahren 9 II 1.3.1 Klassifizierung 10 II 1.3.2 In-situ-Fügetechnik (In-Mould Assembly) 11 II 1.3.3 Ex-situ-Fügetechnik (Post-Mould Assembly) 11 II 1.4 Aspekte zur Interfaceoptimierung 12 II 1.5 Versagensverhalten von einfachen hybriden Werkstoffverbunden 13 II 1.6 Fazit zu hybriden Polymer/Keramik - Werkstoffverbunden 14 II 2 Grundlagen zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 15 II 2.1 Grundlagen zur Verstärkung keramischer Werkstoffe 15 II 2.1.1 Einteilung keramischer Werkstoffen 15 II 2.1.2 Versagensverhalten unverstärkter Monolithkeramik 15 II 2.1.3 Verstärkung keramischer Matrices 19 II 2.1.4 Verstärkungskomponenten und deren Wirkungsweise 20 II 2.2 Klassifizierung faserverstärkter Keramik/Matrix Verbundwerkstoffe 25 II 2.2.1 Weak Interface Composite – CMCs (WIC-CMC) 25 II 2.2.2 Weak Matrix Composite – CMCs (WMC-CMC) 25 II 2.3 Rissfortschrittsverhalten in faserverstärkten CMCs 26 II 2.3.1 Rissablenkung an der F/M-Grenzfläche 27 II 2.3.2 Rissausbreitung und sukzessives Versagen der Faser/Matrix-Domänen 28 II 2.3.3 Rissabschirmung und -ablenkung in porösen Matrices 28 II 2.4 Versagensverhalten faserverstärkter CMCs 29 II 2.4.1 Lastübertragungsverhalten an Faser/Matrix-Grenzflächen 29 II 2.4.2 Mikromechanisches Versagensverhalten 30 II 2.4.3 Makromechanisches Versagensverhalten 31 II 2.5 Fazit zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 34 II 3 Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff 35 II 3.1 Kohlenstofffaserbasierte Verstärkungskomponenten 35 II 3.1.1 Kohlenstofffasern 35 II 3.1.2 Textile Flächengebilde 39 II 3.2 Kohlenstoffmatrix-bildende Precursoren und Verfahren 40 II 3.2.1 Allgemeine Verfahrensweisen 40 II 3.2.2 Grundlagen zu Phenolharzen 41 II 3.2.3 Polymerpyrolyse 46 II 3.2.4 Intrinsische Entwicklung der Porosität 49 II 3.3 Herstellung von PF-Novolak-basierten C/C-Verbunden 50 II 3.3.1 Herstellung der CFK- Produktzwischenstufe 50 II 3.3.2 Herstellung der C/C-Produktendstufe 51 II 4 Fazit zu kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff 53 II 5 Thermoplastische Kunststoffe 54 II 5.1 Synthese 54 II 5.2 Klassifizierung von Polymeren 54 II 5.3 Thermoplastisches Ethylen-Vinylacetat (EVA) 55 II 5.4 Verarbeitung mittels Thermoplast-Spritzgießen 56 II 5.5 Mechanisches Verhalten 57 II 5.6 Fazit zu thermoplastischen Kunststoffen 58 II 6 Folgerungen und Zielsetzung 59 III EXPERIMENTELLER TEIL 61 III 1 Methodische Vorgehensweise 61 III 2 Versuchsbeschreibung und –durchführung 63 III 2.1 Charakterisierende Verfahren 63 III 2.1.1 Prozessbegleitende Untersuchungen 63 III 2.1.2 Dynamische Differenz-Kalorimetrie und Thermogravimetrie 64 III 2.1.3 ATR Spektroskopie 65 III 2.1.4 Röntgendiffraktometrie (XRD) 66 III 2.1.5 Raman Spektroskopie 67 III 2.1.6 Gefüge- und Phasenanalyse 68 III 2.1.7 Oberflächenanalyse der C/C-Verbunde 68 III 2.1.8 3-Punkt-Biegeprüfung 69 III 2.1.9 Haftabzugversuch 70 III 2.2 Entwicklung und Untersuchung des Matrixprecursors 71 III 2.2.1 Validierung des Matrixprecursors 71 III 2.2.2 Komposition der Harz / Härter-Gemische 71 III 2.2.3 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 72 III 2.2.4 Kohlenstoffausbeute der Resite 73 III 2.2.5 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 74 III 2.2.6 Mikrostrukturentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 75 III 2.3 Entwicklung und Untersuchung der CFK-Produktzwischenstufe 76 III 2.3.1 Beschreibung zur Herstellung 76 III 2.3.2 Gefüge- und Phasenanalyse 78 III 2.3.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 78 III 2.4 Entwicklung und Untersuchung der C/C-Produktendstufe 79 III 2.4.1 Beschreibung zur Herstellung 79 III 2.4.2 Gefüge- und Phasenanalyse 80 III 2.4.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 80 III 2.5 Entwicklung und Untersuchung hybrider EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 81 III 2.5.1 Herstellung der C/C-Verbundwerkstoffkomponenten 81 III 2.5.2 Untersuchung der Oberflächenmorphologien der porösen C/C-Verbunde 81 III 2.5.3 Herstellung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 82 III 2.5.4 Gefüge und Phasenanalyse am hybriden Interface 84 III 2.5.5 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 84 III 3 Ergebnisse 85 III 3.1 Untersuchung des Matrixprecursors 85 III 3.1.1 Validierung des Matrixprecursors 85 III 3.1.2 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 85 III 3.1.3 Kohlenstoffausbeute der Resite 91 III 3.1.4 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 92 III 3.1.5 Porositätsentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 94 III 3.2 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 98 III 3.2.1 Gefüge- und Phasenanalyse der CFK-Verbunde 98 III 3.2.2 Gefüge- und Phasenanalyse der C/C-Verbunde 103 III 3.3 Untersuchung der Faser/Matrix-Adhäsion 107 III 3.3.1 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der CFK-Verbunde 107 III 3.3.2 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der C/C-Verbunde 109 III 3.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 110 III 3.4.1 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 15 bar 110 III 3.4.2 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 60 bar 111 III 3.5 Untersuchung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 113 III 3.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 113 III 3.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 115 III 3.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 117 III 4 Diskussion der Ergebnisse 119 III 4.1 Vernetzungsverhalten der Resite 119 III 4.1.1 Netzwerkgenese der Vorkondensate und Degradation des Härters 119 III 4.1.2 Einfluss des Härtermassenanteils auf das Vernetzungsverhalten der Resite 121 III 4.1.3 Zur Phasengenese der generierten Matrixkohlenstoffe 122 III 4.1.4 Fazit zum Vernetzungsverhalten der Resite 122 III 4.2 Ausbildung der Porenmorphologie 124 III 4.2.1 Porenmorphologie der Resite 124 III 4.2.2 Porenmorphologie der Matrixkohlenstoffe 126 III 4.2.3 Fazit zur Ausbildung der Porenmorphologie 127 III 4.3 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 128 III 4.3.1 Mikrostrukturentwicklung der CFK-Produktzwischenstufe 128 III 4.3.2 Mikrostrukturentwicklung der C/C-Produktendstufe 128 III 4.3.3 Porositätsentwicklung der CFK- und C/C-Verbunde 129 III 4.3.4 Fazit zur Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 130 III 4.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 131 III 4.4.1 Einfluss der Härtermassenanteils 131 III 4.4.2 Einfluss des Härtedrucks 131 III 4.4.3 Einfluss des Temperns 131 III 4.4.4 Einfluss des Pyrolyseschrumpfes 131 III 4.4.5 Fazit zum mechanischen Verhalten der Verbundwerkstoffe 132 III 4.5 Hybride EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 133 III 4.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 133 III 4.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 133 III 4.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 134 III 4.5.4 Fazit zur Realisierung der hybriden Werkstoffverbunde 134 IV SCHLUSSFOLGERUNGEN 135 V ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 139 VI LITERATURQUELLEN 140 ANLAGEN / Fibre-reinforced ceramic matrix composite materials are characterized by excellent thermal, mechanical and chemical properties. Their high tolerance regarding damaging is a result of the intrinsic fibre structure and porosity. Due to this fact, they offer outstanding dampening characteristics, as is the case for polymeric materials. The production of complex structures is very time consuming and expensive. The integration of simple geometric ceramic composite materials in complex polymeric structures is regarded as a new approach for the production of these materials. These easy-to-produce hybrid ceramic/polymer compound materials combine the advantages of ceramics and polymers in one material system. However, one main disadvantage of these materials is the mutual adhesion of the two components. This article deals with the challenge of the manipulation of the mechanical properties of the C/C composites depending on the intrinsic porosity. This is realized by altering the physical and chemical wetting/coating conditions of the matrix precursor. In addition, the inherent porosity is supposed to increase the effective outer surface and specifically improve the adhesion. For this purpose, a novel carbon precursor with an adjustable open porosity is developed and investigated further. During this different versions of the CFRP and various C/C materials of different production steps are produced and examined. The variation of the precursors is supposed to take place in the polymeric state. The different C/C composites are subsequently thermally bonded with selected polymers and defined consolidation parameters. The mutual joining and connection behaviour is investigated further.:ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN I ABBILDUNGSVERZEICHNIS VI TABELLENVERZEICHNIS XI I EINLEITUNG UND MOTIVATION 1 II STAND DER TECHNIK 3 II 1 Hybride Polymer/Keramik - Werkstoffverbunde 3 II 1.1 Grundlagen zur Adhäsion 3 II 1.1.1 Adhäsionsmodelle 3 II 1.1.2 Keramik/Polymer-Grenzflächentypen 7 II 1.2 Konstruktionsprinzipien 8 II 1.2.1 Differentialbauweise 8 II 1.2.2 Integralbauweise 8 II 1.2.3 Mischbauweise 8 II 1.2.4 Hybridbauweise (hybride Werkstoffverbunde) 8 II 1.3 Fertigungsverfahren 9 II 1.3.1 Klassifizierung 10 II 1.3.2 In-situ-Fügetechnik (In-Mould Assembly) 11 II 1.3.3 Ex-situ-Fügetechnik (Post-Mould Assembly) 11 II 1.4 Aspekte zur Interfaceoptimierung 12 II 1.5 Versagensverhalten von einfachen hybriden Werkstoffverbunden 13 II 1.6 Fazit zu hybriden Polymer/Keramik - Werkstoffverbunden 14 II 2 Grundlagen zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 15 II 2.1 Grundlagen zur Verstärkung keramischer Werkstoffe 15 II 2.1.1 Einteilung keramischer Werkstoffen 15 II 2.1.2 Versagensverhalten unverstärkter Monolithkeramik 15 II 2.1.3 Verstärkung keramischer Matrices 19 II 2.1.4 Verstärkungskomponenten und deren Wirkungsweise 20 II 2.2 Klassifizierung faserverstärkter Keramik/Matrix Verbundwerkstoffe 25 II 2.2.1 Weak Interface Composite – CMCs (WIC-CMC) 25 II 2.2.2 Weak Matrix Composite – CMCs (WMC-CMC) 25 II 2.3 Rissfortschrittsverhalten in faserverstärkten CMCs 26 II 2.3.1 Rissablenkung an der F/M-Grenzfläche 27 II 2.3.2 Rissausbreitung und sukzessives Versagen der Faser/Matrix-Domänen 28 II 2.3.3 Rissabschirmung und -ablenkung in porösen Matrices 28 II 2.4 Versagensverhalten faserverstärkter CMCs 29 II 2.4.1 Lastübertragungsverhalten an Faser/Matrix-Grenzflächen 29 II 2.4.2 Mikromechanisches Versagensverhalten 30 II 2.4.3 Makromechanisches Versagensverhalten 31 II 2.5 Fazit zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 34 II 3 Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff 35 II 3.1 Kohlenstofffaserbasierte Verstärkungskomponenten 35 II 3.1.1 Kohlenstofffasern 35 II 3.1.2 Textile Flächengebilde 39 II 3.2 Kohlenstoffmatrix-bildende Precursoren und Verfahren 40 II 3.2.1 Allgemeine Verfahrensweisen 40 II 3.2.2 Grundlagen zu Phenolharzen 41 II 3.2.3 Polymerpyrolyse 46 II 3.2.4 Intrinsische Entwicklung der Porosität 49 II 3.3 Herstellung von PF-Novolak-basierten C/C-Verbunden 50 II 3.3.1 Herstellung der CFK- Produktzwischenstufe 50 II 3.3.2 Herstellung der C/C-Produktendstufe 51 II 4 Fazit zu kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff 53 II 5 Thermoplastische Kunststoffe 54 II 5.1 Synthese 54 II 5.2 Klassifizierung von Polymeren 54 II 5.3 Thermoplastisches Ethylen-Vinylacetat (EVA) 55 II 5.4 Verarbeitung mittels Thermoplast-Spritzgießen 56 II 5.5 Mechanisches Verhalten 57 II 5.6 Fazit zu thermoplastischen Kunststoffen 58 II 6 Folgerungen und Zielsetzung 59 III EXPERIMENTELLER TEIL 61 III 1 Methodische Vorgehensweise 61 III 2 Versuchsbeschreibung und –durchführung 63 III 2.1 Charakterisierende Verfahren 63 III 2.1.1 Prozessbegleitende Untersuchungen 63 III 2.1.2 Dynamische Differenz-Kalorimetrie und Thermogravimetrie 64 III 2.1.3 ATR Spektroskopie 65 III 2.1.4 Röntgendiffraktometrie (XRD) 66 III 2.1.5 Raman Spektroskopie 67 III 2.1.6 Gefüge- und Phasenanalyse 68 III 2.1.7 Oberflächenanalyse der C/C-Verbunde 68 III 2.1.8 3-Punkt-Biegeprüfung 69 III 2.1.9 Haftabzugversuch 70 III 2.2 Entwicklung und Untersuchung des Matrixprecursors 71 III 2.2.1 Validierung des Matrixprecursors 71 III 2.2.2 Komposition der Harz / Härter-Gemische 71 III 2.2.3 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 72 III 2.2.4 Kohlenstoffausbeute der Resite 73 III 2.2.5 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 74 III 2.2.6 Mikrostrukturentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 75 III 2.3 Entwicklung und Untersuchung der CFK-Produktzwischenstufe 76 III 2.3.1 Beschreibung zur Herstellung 76 III 2.3.2 Gefüge- und Phasenanalyse 78 III 2.3.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 78 III 2.4 Entwicklung und Untersuchung der C/C-Produktendstufe 79 III 2.4.1 Beschreibung zur Herstellung 79 III 2.4.2 Gefüge- und Phasenanalyse 80 III 2.4.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 80 III 2.5 Entwicklung und Untersuchung hybrider EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 81 III 2.5.1 Herstellung der C/C-Verbundwerkstoffkomponenten 81 III 2.5.2 Untersuchung der Oberflächenmorphologien der porösen C/C-Verbunde 81 III 2.5.3 Herstellung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 82 III 2.5.4 Gefüge und Phasenanalyse am hybriden Interface 84 III 2.5.5 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 84 III 3 Ergebnisse 85 III 3.1 Untersuchung des Matrixprecursors 85 III 3.1.1 Validierung des Matrixprecursors 85 III 3.1.2 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 85 III 3.1.3 Kohlenstoffausbeute der Resite 91 III 3.1.4 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 92 III 3.1.5 Porositätsentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 94 III 3.2 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 98 III 3.2.1 Gefüge- und Phasenanalyse der CFK-Verbunde 98 III 3.2.2 Gefüge- und Phasenanalyse der C/C-Verbunde 103 III 3.3 Untersuchung der Faser/Matrix-Adhäsion 107 III 3.3.1 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der CFK-Verbunde 107 III 3.3.2 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der C/C-Verbunde 109 III 3.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 110 III 3.4.1 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 15 bar 110 III 3.4.2 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 60 bar 111 III 3.5 Untersuchung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 113 III 3.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 113 III 3.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 115 III 3.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 117 III 4 Diskussion der Ergebnisse 119 III 4.1 Vernetzungsverhalten der Resite 119 III 4.1.1 Netzwerkgenese der Vorkondensate und Degradation des Härters 119 III 4.1.2 Einfluss des Härtermassenanteils auf das Vernetzungsverhalten der Resite 121 III 4.1.3 Zur Phasengenese der generierten Matrixkohlenstoffe 122 III 4.1.4 Fazit zum Vernetzungsverhalten der Resite 122 III 4.2 Ausbildung der Porenmorphologie 124 III 4.2.1 Porenmorphologie der Resite 124 III 4.2.2 Porenmorphologie der Matrixkohlenstoffe 126 III 4.2.3 Fazit zur Ausbildung der Porenmorphologie 127 III 4.3 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 128 III 4.3.1 Mikrostrukturentwicklung der CFK-Produktzwischenstufe 128 III 4.3.2 Mikrostrukturentwicklung der C/C-Produktendstufe 128 III 4.3.3 Porositätsentwicklung der CFK- und C/C-Verbunde 129 III 4.3.4 Fazit zur Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 130 III 4.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 131 III 4.4.1 Einfluss der Härtermassenanteils 131 III 4.4.2 Einfluss des Härtedrucks 131 III 4.4.3 Einfluss des Temperns 131 III 4.4.4 Einfluss des Pyrolyseschrumpfes 131 III 4.4.5 Fazit zum mechanischen Verhalten der Verbundwerkstoffe 132 III 4.5 Hybride EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 133 III 4.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 133 III 4.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 133 III 4.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 134 III 4.5.4 Fazit zur Realisierung der hybriden Werkstoffverbunde 134 IV SCHLUSSFOLGERUNGEN 135 V ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 139 VI LITERATURQUELLEN 140 ANLAGEN