This work correlates the chemistry of phenol-formaldehyde (PF) resins, its functionalities with their microstructural and mechanical properties in composite materials. The main focus is put on the development of the pores in dependence on the chemical composition of the resins and their influence on the structure of the material. Chemical characteristics of the synthesized resins are analyzed and physical/mechanical properties of the matrices based on PF resins are determined. Differences in the chemical properties are detected e.g. by FT-IR and NMR spectroscopy. They indicate the existence of similar molecular basic structure units, but different network conditions of the resins. DSC investigations point on different reaction mechanisms and temperatures; they reveal also their changed thermal behavior. The bulk matrix behavior differs from that of the composite based on the same resin due to the three dimensional stress and strain fields in the composites. The structure of the CFRP composites is strongly depended on the fiber/matrix interaction. The fiber matrix bonding (FMB) strength controls the load transfer via shear forces and therefore the segmentation of the fiber bundles.

Ziel der Untersuchung war es, eine Charakterisierung des Dauerlaufverhaltens dynamisch und tribologisch belasteter Maschinenteile aus Wood Polymer Composite (WPC) in tragenden Anwendungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Hybridprofil aus Aluminium und WPC (70% PP, 30 % Weichholz) zu dem bestehenden Profil aus Aluminium in ein Hängefördersystem eingebaut und die dynamische Belastung (Vertikalbeschleunigung) auf das Fördergut während des Anlagenbetriebes gemessen. Im Testbetrieb wurde das System mit Ersatzlasten beladen und die Amplituden der Vertikalbeschleunigung zu Versuchsbeginn und deren Veränderung nach 1000h Laufzeit hinsichtlich beider Profilarten bewertet und das Hybridprofil auf sichtbare Schäden überprüft. Zu Beginn und nach 1000h Versuchszeit waren keine relevanten Veränderungen des charakteristischen Beschleunigungsbildes bezüglich beider Profilaufbauten feststellbar. Trotz Verschleiß am Antrieb des Fördersystems blieb das Hybridprofil voll funktionsfähig (kein sichtbarer Verschleiß, keine merkliche Schädigung). Darauf aufbauend wird der Versuch mit höherer Belastung fortgesetzt und die Entwicklung eines Profils, welches nur aus WPC besteht, vorangetrieben. / Aim of the study was to analyze the characteristics of dynamic and tribological stressed wood polymer machine elements. For this purpose an endurance test with an overhead conveyor was executed. A sectional beam in hybrid design (Aluminum & WPC [70 % PP / 30 % softwood]) was implemented in this aluminum beam overhead conveyor. During the conveying process the vertical acceleration of the transported material (dummy loads) was measured. At the beginning of the endurance test the acceleration patterns of the aluminum and the hybrid beams did not differ. Despite of mechanical wear of the drive system after 1000 operating hours, alterations of the acceleration patterns still could not be detected in the different beams. The hybrid beam remained fully functional with no visible wear or damage after 1000 operating hours. Based on these encouraging results the endurance test is continued with enhanced dummy loads and the development of a beam completely composed of WPC is aspired.

In der vorliegenden Arbeit werden Zwillingsmonomere, die eine Aminogruppe über eine Alkylkette kovalent am Siliziumatom gebunden tragen, synthetisiert, organisch/anorganischen Hybridmaterialien aus diesen Monomeren hergestellt und in der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde angewendet. Über Reaktionen der Aminogruppe mit Benzaldehyden und cyclischen Carbonsäureanhydriden am Zwillingsmonomer 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin können weitere funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert werden. Bei der Herstellung von Hybridmaterialien liegt der Fokus auf der simultanen Zwillingspolymerisation der funktionellen Monomere mit dem Monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin]. Die erhaltenen Materialien werden mittels spektroskopischer und thermischer Verfahren untersucht. Die Zugänglichkeit der Aminogruppe in den Hybridmaterialien wird mittels Modellreaktionen untersucht. Die Zwillingsmonomere werden zudem auf verschiedene Metallsubstrate aufgebracht, polymerisiert und anschließend hinsichtlich der Oberflächenrauheit, Abriebfestigkeit und Oberflächenpolarität untersucht. Die in der Beschichtung integrierte Aminogruppe kann zur kovalenten Anbindung eines Maleinsäureanhydrid-Copolymers genutzt werden. Bei der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunden werden Press- und Spritzgießverfahren genutzt. Hier können die funktionellen Zwillingsmonomere erfolgreich als Haftvermittler eingesetzt und auf verschiedene Metall/Thermoplast-Kombinationen angewendet werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Zielsetzung 2 Kenntnisstand 2.1 Leichtbau, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2.1.1 Metall/Kunststoff-Hybridbauteile 2.1.2 Haftungsmechanismen 2.1.3 Methoden zur Vorbehandlung einer Metalloberfläche für die Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 2.1.4 Prüfmethoden 2.2 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 2.2.1 Klassifizierung von Kompositen und Hybridmaterialien 2.2.2 Synthesestrategien 2.2.3 Zwillingspolymerisation 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Amino-funktionalisierte Zwillingsmonomere 3.1.1 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 3.1.2 Synthese von amino-funktionalisierten organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.3 Charakterisierung der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.4 Zugänglichkeit der funktionellen Gruppe der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.5 Trifunktionelles Zwillingsmonomer 3.2 Derivatisierung der amino-funktionalisierten ZM 3.2.1 Bildung einer Amidbindung 3.2.2 Bildung eines Azomethins 3.3 Verwendung der (simultaner) Zwillingspolymerisation zur Gestaltung von Oberflächen 3.3.1 Beschichtung unterschiedlicher Metallsubstrate 3.3.2 Mikroverschleiß 3.3.3 Optimierung des Beschichtungsvorgangs zur Generierung dünner Schichten . 3.3.4 Funktionalisierung mit Maleinsäureanhydrid-(MSA)-Copolymer 3.4 Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 3.4.1 Herstellung im Pressverfahren 3.4.2 Herstellung im Spritzgießprozess 3.4.3 Allgemeine Betrachtungen zur Verbundfestigkeit 4 Zusammenfassung und Ausblick 4.1 Zusammenfassung 4.2 Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Geräte und Chemikalien 5.2 Synthese 5.2.1 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (1) 5.2.2 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 5.2.3 Derivatisierung von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin (2) 5.3 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.1 Synthese organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.2 Extraktion der Hybridmaterialien 5.3.3 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Aldehyden 5.3.4 Umsetzung der Hybridmaterialien mit tert-Butylglycidylether (t-BGE) 5.3.5 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Methyliodid 5.4 Herstellung von Schichten mittels Zwillingspolymerisation 5.4.1 Materialien 5.4.2 Beschichtungsvorgang 5.4.3 Funktionalisierung mit MSA-Copolymer 5.4.4 Mikro-Ritzprüfung 5.4.5 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie 5.5 Herstellung von Metall/Kunstsoff-Verbunde 5.5.1 Verwendete Materialien 5.5.2 Herstellung im Pressverfahren 5.5.3 Herstellung im Spritzgießprozess 5.5.4 Prüfung 6 Anhang 6.1 Zusammensetzung Hybridmaterialien 6.2 TG-MS-Analyse der Verbindungen 1, 2, 9, 10 und 11 6.3 Thermisches Verhalten – Beobachtung DSC 6.4 1H-13C-Korrelationsspektren (gs-HSQC) ausgewählter Extrakte 6.5 XPS-Analyse der Hybridmaterialien 6.6 Betrachtungen zum Reaktionsfortschritt bei der Herstellung von Hybridmaterialien 6.7 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie - Beispiel 6.8 Bruchbilder Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Publikationen und Posterpräsentationen

The design of traction mechanisms of continuous conveying units (e. g. plastic chains) is so far based on a purely mechanical dimensioning. However, mechanical limits are only applicable in a limited way to avoid system failure. With higher speeds or pressure, especially the thermal stress increases, which results in system failure based on softening or melting of the materials at a certain temperature. By means of systematic studies, correlations between friction temperature, coefficient of friction, wear and process parameters are examined. On this basis, a model for calculating the friction temperature is developed. / Die Konstruktion von Zugmitteln für kontinuierliche Fördereinheiten (z. B. Kunststoffketten) beruht bisher auf einer rein mechanischen Dimensionierung. Allerdings sind mechanische Grenzwerte zur Vermeidung von Systemausfall nur bedingt anwendbar. Bei größeren Geschwindigkeiten oder Druck erhöht sich insbesondere die thermische Beanspruchung, was bei einer bestimmten Temperatur zum Systemausfall durch Erweichung oder Schmelzen der Werkstoffe führt. In systematischen Untersuchungen wurden die Korrelationen zwischen Reibungstemperatur, Reibungskoeffizient, Verschleiß und den Prozessparametern untersucht. Auf dieser Basis wurde ein Modell zur Berechnung der Reibungstemperatur entwickelt.

This work correlates the chemistry of phenol-formaldehyde (PF) resins, its functionalities with their microstructural and mechanical properties in composite materials. The main focus is put on the development of the pores in dependence on the chemical composition of the resins and their influence on the structure of the material. Chemical characteristics of the synthesized resins are analyzed and physical/mechanical properties of the matrices based on PF resins are determined. Differences in the chemical properties are detected e.g. by FT-IR and NMR spectroscopy. They indicate the existence of similar molecular basic structure units, but different network conditions of the resins. DSC investigations point on different reaction mechanisms and temperatures; they reveal also their changed thermal behavior. The bulk matrix behavior differs from that of the composite based on the same resin due to the three dimensional stress and strain fields in the composites. The structure of the CFRP composites is strongly depended on the fiber/matrix interaction. The fiber matrix bonding (FMB) strength controls the load transfer via shear forces and therefore the segmentation of the fiber bundles.:1 Introduction 2 Theoretical Overview 2.1 Phenol-Formaldehyde Resins 2.1.1 Overview 2.1.2 Reactions of phenol-formaldehyde resin 2.1.2.1 Addition reaction 2.1.2.2 Condensation reaction 2.1.2.3 Curing 2.1.3 Application of phenol-formaldehyde resin 2.2 Carbon-Fiber 2.2.1 PAN type carbon fiber 2.2.2 Pitch type carbon fiber 2.2.3 Application of carbon fiber 2.3 Composites 2.3.1 Carbon fiber composites 2.3.2 Matrix 2.3.3. Interfaces 2.3.3.1 Carbon fiber side interface between carbon fiber and matrix 2.3.3.2 Matrix side interface between carbon fiber and matrix 2.3.3.3 Toughening of fiber-reinforced polymer 3 Goal and Works 3.1 Problem and Motivation 3.2 Objective and Works plan 4 Experiments and Methods 4.1 Materials 4.1.1 Chemical reagents 4.1.2 Carbon fiber weave 4.2 Synthesis of Resin 4.3 Fabrication of Matrix 4.4. Measurement methods and Experimental approach 4.4.1 Chemical analysis 4.4.2 Microstructure characterization 4.4.3 Mechanical test 5 Chemical characterization of modified phenol-formaldehyde resin 5.1 Fourier Transformed Infrared spectroscopy (FT-IR) 5.1.1 Introduction 5.1.2 Preparation and Measurement 5.1.3 Results and Discussion 5.2 Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) 5.2.1 Liquid 13C Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy 5.2.1.1 Introduction 5.2.1.2 Preparation and Measurement 5.2.1.3 Results and Discussion 5.2.2 Solid 13C CP-MAS Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy 5.2.2.1 Introduction 5.2.2.2 Preparation and Measurement 5.2.2.3 Results and Discussion 5.3 Simultaneous Thermal Analysis (STA) 5.3.1 Introduction 5.3.2 Preparation and Measurement 5.3.3 Results and Discussion 5.3.3.1 Simultaneous Thermal Analysis 5.3.3.2 Different Scanning Calorimetry 5.4 Conclusion 6 Microstructural Characterization 6.1 Porosity 6.1.1 Introduction 6.1.2 Preparation and Measurement 6.1.3 Results and Discussion 6.1.3.1 Density 6.1.3.2 Porosity 6.2 Morphology 6.2.1 Introduction 6.2.2 Preparation and Measurement 6.2.3 Results and Discussion 6.2.3.1 Optical Microscopy 6.3.3.2 Scanning Electron Microscopy 6.3.3.2.1 Observation of the bulk matrix 6.2.3.2.2 Structural observation of the composite 6.3 Conclusion 7 Mechanical Properties 7.1 Hardness test 7.1.1 Introduction 7.1.2 Preparation and Measurement 7.1.3 Results and Discussion 7.2 Micro-bending test 7.2.1 Introduction 7.2.2 Preparation and Measurement 7.2.3 Results and Discussion 7.3 Conclusion 8 Summary and Conclusion 8.1 Summary 8.2 Conclusion 9 References

Gegenstand dieser Arbeit ist ein neuartiges Direktverarbeitungsverfahren zur Integration von Dehnungssensoren in rotationsförmige Faser-Kunststoff-Verbundbauteile mit dem Ziel einer präzisen, schnellen, robusten, kraftflussgerechten und kostengünstigen Echtzeitüberwachung des Verhaltens versagensrelevanter Strukturen. Der Fokus der Arbeit liegt dafür in der Erforschung eines metalldrahtbasierten und während der Bauteilfertigung in-situ hergestellten strukturintegrierten Sensors (AMBOS: Adapted Metal Wire Based and Fiber Oriented Sensor), dessen Position im Verbundwerkstoff mit hoher Genauigkeit der Verstärkungsfaserorientierung einer Einzelschicht entspricht. Neben der Bestimmung mechanischer Kennwerte der Drähte, dem Abzugsverhalten, einer Analyse des Sensordrahteinflusses auf die Verbundeigenschaften, der Bestimmung des Sensorauszugsverhalten sind auch die Sensorapplikation mittels Direktverarbeitung, die Untersuchung zum Schädigungsverhalten des Sensordrahtes während der Verarbeitung, die Positionierung im Verbundwerkstoff und die Isolierung des Sensordrahtes wesentlicher Forschungsgegenstand. Die Verifizierung des AMBOS-Systems erfolgt mit typischen Belastungszuständen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Druckbehälters mit Betrachtung der Temperaturkompensation und den Wechselwirkungen des neuen Sensorsystems mit der Umgebung.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung 3. Faserparalleler Drahtsensor für Wickelstrukturen 4. Charakterisierung der Drahtsensorsysteme 5. Validierung des neuen Messsystems an einem Seriendruckbehälter 6. Zusammenfassung und Ausblick / The subject of this work is a novel direct processing method for the integration of strain sensors into rotational fiber-reinforced plastic components with the goal of precise, fast, robust, load-path-adapted and cost-effective real-time monitoring of the behavior of failure-relevant structures. To this end, the focus of the work is on research into a metal wire-based structure-integrated sensor (AMBOS: Adapted Metal Wire Based and Fiber Oriented Sensor) manufactured in-situ during component manufacturing, whose position in the composite corresponds with high accuracy to the reinforcing fiber orientation of a single layer. In addition to the determination of mechanical characteristics of the wires, the pull-off behavior, an analysis of the sensor wire influence on the composite properties, the determination of the sensor pull-out behavior, the sensor application by means of direct processing, the investigation of the damage behavior of the sensor wire during processing, the positioning in the composite material and the insulation of the sensor wire are also essential objects of the research. The verification of the AMBOS system is carried out with typical loading conditions of a fiber-reinforced plastic composite pressure vessel with consideration of the temperature compensation and the interactions of the new sensor system with the environment.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung 3. Faserparalleler Drahtsensor für Wickelstrukturen 4. Charakterisierung der Drahtsensorsysteme 5. Validierung des neuen Messsystems an einem Seriendruckbehälter 6. Zusammenfassung und Ausblick

Die Arbeit beschreibt die skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit textiler Verstärkungsstruktur, die ausgehend von den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile (Mikroskala) und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund (Mesoskala) die rechnerische Vorhersage des effektiven Materialverhaltens des Verbundes (Makroskala) ermöglicht. Neben Schädigungsprozessen beeinflusst insbesondere das dehnratenabhängige Materialverhalten der polymeren Matrix das mechanische Verhalten des Verbundes. Dieser Einfluss wird anhand verschiedener Glasfaser-Polypropylen-Verbunde numerisch untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell bildet dabei das nichtlineare Materialverhalten von Polypropylen ab. Die Modellierung der textilen Verstärkungsstruktur erfolgt durch Anwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Anhand des Vergleichs von rechnerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen erfolgt schließlich die Verifikation der vorgeschlagenen Modellierungsstrategie. / This contribution covers the trans-scale modelling and simulation of the mechanical behaviour of textile-reinforced polymers. Starting from the material properties of the individual constituents (micro-scale) and their geometrical arrangement (meso-scale), the effective material behaviour of the composite (macro-scale) is numerically predicted. In addition to damage processes, the inelastic deformation behaviour of the composite is influenced by the strain-rate dependent material behaviour of the polymeric matrix. This influence is numerically investigated for different glass-fibre-polypropylene composites. A viscoplastic material model accounts for the nonlinear mechanical behaviour of polypropylene. The complex textile reinforcement is modelled by the eXtended finite element method (XFEM). A comparison of computed and experimental results allows for the verification of the proposed modelling strategy.

In diesem Preprint werden grundlegende Gleichungen zur Behandlung von transversal isotropem Materialverhalten zusammengetragen. Wir betrachten ein transversal isotropes Materialgesetz mit linear elastischem Verhalten. Die angegebenen Materialgleichungen sind zur Beschreibung sowohl kleiner als auch großer Deformationen geeignet. Sie bilden eine wesentliche Grundlage zur Lösung statischer Probleme mit der Methode der finiten Elemente. Es werden Gleichungen für den ebenen Spannungszustand und den ebenen Verzerrungszustand hergeleitet.

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Durch die Verwendung eines hochgefüllten Compounds aus Haferspelzen in einer Matrix aus Kunststoff ist es möglich tribologisch hochbelastbare Führungs- und Stützelemente für Zug- und Tragmittel im Anwendungsfeld der Fördertechnik aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Die Werkstoffe weisen in Bereichen höherer tribologischer Belastungsintensitäten gegen die getesteten Reibpartner Vorteile hinsichtlich Reibwert und Verschleiß auf. Es werden Ergebnisse bezüglich der Verarbeitung der Spelzen bzw. des Compounds sowie mechanische und tribologische Untersuchungen dargestellt.