Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit duroplastischer Matrix zeichnen sich dadurch aus, dass ihre guten physikalischen und thermomechanischen Eigenschaften wesentlich durch den Verarbeitungsprozess und die sich dabei bildende polymere Netzwerkstruktur bestimmt werden. Die Einstellung und Kontrolle des Vernetzungsgrades stellt eine fertigungstechnische Herausforderung dar, weshalb zumeist auf vollständige Aushärtung abgezielt wird. Die Ausnutzung der Eigenschaften im teilvernetzten gelierten Zustand birgt hingegen immenses Potential für eine flexiblere Gestaltung von Fertigungsprozessen und ist zudem von außerordentlicher Relevanz für ein verbessertes Verständnis konventioneller Verarbeitungsverfahren auf Basis von FKV mit duroplastischer Matrix. Die vorliegende Arbeit zeigt die experimentelle Analyse der werkstoffmechanischen Phänomene bei der Deformation teilvernetzter Matrices auf und erarbeitet basierend auf physikalisch begründeten Wirkmechanismen geeignete Materialmodelle zu deren praxisgerechter Beschreibung. Im Ergebnis stehen Lösungswege bereit, die das besondere mit der Netzwerkbildung einhergehende Potential duroplastischer Matrixpolymere nutzbar machen. Die Anwendung der entwickelten Modelle in Prozess- und Struktursimulationen ermöglicht eine erhöhte Prognosegüte bei der Berechnung von Eigenspannungen und ein deutlich verbessertes Verständnis der matrixdominierten Schädigungs- und Ermüdungsphänomene in FKV.

In vielen technischen Anwendungen werden Faserverbundwerkstoffe mit Hochleistungsfasern aus Carbon und AR-Glas eingesetzt, die aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein hohes Festigkeitspotential aufweisen. Damit eröffnen sich neue Anwendungsgebiete, z. B. als textile Bewehrungen für Betonbauteile. Die Garnmaterialien müssen hohe sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Dazu gehören u. a. eine ausreichende Tragfähigkeit unter Dauerlastbeanspruchung und eine hohe Temperaturbeständigkeit im Brandfall. Zur Spezifizierung dieser Eigenschaften wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend vorgestellt werden. / Due to their strong mechanical and chemical properties, fiber composite materials composed of high performance carbon and AR-glass fibers lend themselves to many technical applications. Potentially new and innovative application fields should be considered, such as textile reinforcements for concrete components. The yarn materials must meet high technical and safety standards, specifically sufficient load-bearing capabilities under long-term conditions and acceptable strength at high temperatures should fire occur. Research was conducted to document these characteristics. The results are presented in this paper.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von nanostrukturierten Hybridmaterialen. Dabei wird das Prinzip der Zwillingspolymerisation um die Reaktion von aminofunktionalisierten Zwillingsmonomeren mit Epoxiden erweitert, wodurch ein Zugang zu ternären Hybridmaterialien möglich ist. Durch den Einsatz eines aminofunktionalisierten Zwillingsmonomers werden verschiedene multifunktionelle Epoxide mit der Zwillingspolymerisation kombiniert und hinsichtlich ihrer Struktur, ihres Reaktionsverhaltens und ihrer thermischen Beständigkeit sowie ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Anwendung dieser organisch/anorganischen Hybridmaterialien als Vergussmasse in faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Dabei werden Zwillingsmonomere in mehrere Lagen Fasermaterial eingebracht und die resultierenden Werkstoffe hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Zudem wird eine neue Methode vorgestellt, die es ermöglicht die Zwillingspolymerisation durch UV-Bestrahlung zu starten. Die in Folge ablaufende radikal-induzierte kationische Frontalpolymerisation bildet ähnliche nanostrukturierte Hybridmaterialien, wie sie auch mit kationischer oder thermischer Zwillingspolymerisation erhalten werden. Zusätzlich ist es möglich Epoxide in die Frontalpolymerisation einzubringen, um so zu einem Hybridmaterial bestehend aus Phenolharz, Epoxidharz und Siliziumdioxid zu gelangen. Die Charakterisierung der Proben erfolgte unter anderem mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischen Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrie, Nanoindentation und dynamisch-mechanischer Analyse.

In vielen technischen Anwendungen werden Faserverbundwerkstoffe mit Hochleistungsfasern aus Carbon und AR-Glas eingesetzt, die aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein hohes Festigkeitspotential aufweisen. Damit eröffnen sich neue Anwendungsgebiete, z. B. als textile Bewehrungen für Betonbauteile. Die Garnmaterialien müssen hohe sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Dazu gehören u. a. eine ausreichende Tragfähigkeit unter Dauerlastbeanspruchung und eine hohe Temperaturbeständigkeit im Brandfall. Zur Spezifizierung dieser Eigenschaften wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend vorgestellt werden. / Due to their strong mechanical and chemical properties, fiber composite materials composed of high performance carbon and AR-glass fibers lend themselves to many technical applications. Potentially new and innovative application fields should be considered, such as textile reinforcements for concrete components. The yarn materials must meet high technical and safety standards, specifically sufficient load-bearing capabilities under long-term conditions and acceptable strength at high temperatures should fire occur. Research was conducted to document these characteristics. The results are presented in this paper.

Verbundwerkstoffe aus textilen Hochleistungsmaterialien sind bekannt für ihre überragenden mechanischen Eigenschaften und ihren überzeugenden Leichtbaucharakter. Da die belastungsoptimierte Auslegung der Bewehrungsstruktur der Schlüssel zu erfolgreichen Leichtbau-Verbundwerkstoffen ist, liegt das Augenmerk auf der Konstruktion anisotroper und inhomogener Bewehrungen, die sowohl anspruchsvoll als auch vielversprechend ist. Dennoch ist die Entwicklung komplexer textiler Preforms sowie die Realisierung des Preformprozesses derzeit kosten- und zeitintensiv. Da die moderne Leichtbauindustrie auf Vollautomatisierung und absolute Flexibilität zusteuert, steht die Motivation für eine simulative Vorhersage von Verbundeigenschaften auf der Agenda. Die Bemühungen, eine automatische Produktionsumgebung mit kundenspezifischer Entwicklung, flexibler Fertigung und moderner Logistik zu schaffen, sind im Begriff Industrie 4.0 gebündelt. Die allgemeine Digitalisierung von Design, Entwicklung und Fertigung birgt große Möglichkeiten für den Composite-Markt. In dieser Arbeit wird eine vollständig virtuelle Entwicklungskette für Faserverbundwerkstoffe aufgestellt. Ein Verfahren zur Modellierung von Verbundverstärkungen auf der Mikroskale in Abhängigkeit von den Fertigungsparametern wird etabliert. Die vorgestellten Mikroskalenmodelle sind in der Lage, sowohl die mechanischen Eigenschaften der trockenen Textilien als auch die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe vorherzusagen. Mit diesem Ansatz werden virtuelle Drapiersimulationen zur Optimierung des Preformingprozesses und Simulationen der Tragfähigkeit der Verbundteile ermöglicht. Es wird gezeigt, dass ein ganzheitlicher Ansatz - von der Faser bis zur Verbundstruktur - auf einer vollständig virtuellen Ebene durchgeführt werden kann. Die digitalen Methoden sind in der Lage, Daten entlang der gesamten Composite-Entwicklungskette zu liefern.

Sheet Molding Compounds (SMC) present a promising alternative for sheet metal in automotive exterior body panel applications. They offer excellent specific mechanical properties, improved design freedom and a cost-efficient manufacturing process. However, the paintability of SMCs is challenging and this issue has kept the material from a more widespread application, in spite all inherent advantages. This work investigates the underlying reasons of paint defect occurrence and proposes novel solutions to improve upon state-of-the-art technology. Through the modification of conventional SMC an improved surface compound is proposed. This can be combined with a novel manufacturing process, denoted Co-Compression-Molding, which enables the molding of two individual compounds in a single step. The work offers insight into appropriate molding parameter selection to ensure a flawless compression molding process. Additional processing steps are proposed to further improve manufacturing, such as thermography for the early detection of sub-surface voids, and post-processing via electron beam curing.:1 Introduction 1.1 Motivation and Objectives 1.2 Solution Approach 2 State of the Art 2.1 Automotive Production 2.1.1 Paint Processes 2.1.2 Quality Assessment Techniques 2.2 Sheet Molding Compounds 2.2.1 Manufacturing and Composition 2.2.2 Mechanical Properties 2.2.3 Conventional Methods of Surface Improvement 2.2.4 Recycling Methods 2.3 Compression Molding 2.3.1 Mold Flow of Sheet Molding Compounds 2.3.2 Compound Rheology 2.3.3 Inherent Porosity 2.3.4 Co-Molding Process 2.3.5 Alternative Approaches and Auxiliary Processes 3 Reduced Fiber Weight Fraction Compounds 3.1 Porosity as the Source of Defects 3.2 Compounding and Compression Molding 3.3 Compound Characterization 3.3.1 Fiber Network Permeability 3.3.2 Rheology and Flowability 3.3.3 Physical Properties 3.3.4 Pore Content and Porosity Elimination 3.4 Effect on Paintability 4 Co-Compression Molding 4.1 Hybrid Material Flow 4.2 Materials 4.3 Molding Trials and Testing 4.3.1 Flat Plaque Testing 5 Auxiliary Processes 5.1 Thermography 5.1.1 Materials 5.1.2 Experiments 5.2 Electron Beam Curing 5.2.1 Residual Reactivity 5.2.2 Irradiation and Post-Curing 6 Full-Scale Trials 6.1 Class-A Panel 6.2 Semi-Structural Component 6.3 Technology Demonstrator 6.3.1 Cost Comparison 6.4 Application Guidance 6.4.1 Reduced Fiber Fraction Compounds 6.4.2 Co-Compression Molding 6.4.3 Application of Auxiliary Processes 7 Summary Bibliography Appendix A Evolution of Vehicle Curb Weight B Porosity Structure of Normal Density Compound C Surface Veil Distortion During Compression Molding

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien. Zum einen werden poröse Kohlenstoffe (C) für die Anwendung in Siliziumcarbid (SiC) faserverstärkten Verbundwerkstoffen (SiC/C) untersucht, deren Kohlenstoffmatrix definierte Porengrößen im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen sollen, um anschließend über das Flüssigsilizierverfahren (LSI) eine stöchiometrische Umsetzung dieser mit flüssigen Silizium zu einer Siliziumcarbid-Matrix zu gewährleisten. Erhalten wird ein keramischer SiC/SiC-Faserverbundwerkstoff, der aufgrund seiner Beständigkeit in Hochtemperatur-Sauerstoffatmosphäre, für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Für dieses Ziel wurden verschiedene Kohlenstoffprecursoren, die Resole, Novolake und stickstoffhaltigen Phenolharze unter Zugabe von β-Naphthol, entwickelt. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Herstellung von porösen Kohlenstoffschäumen. Dafür wurden organische Carbonate dargestellt, deren Substituenten einer Stufenwachstumspolymerisation befähigt sind. In der Schmelze polymerisieren diese Säure-katalysiert und setzen dabei Kohlenstoffdioxid frei, welches gleichzeitig das Polymer schäumt. Die Zugabe eines geeigneten Tensides stabilisiert die Kohlenstoffdioxidblasen und generiert Schäume unter einer hohen Volumenexpansion. Die organischen Carbonate wurden zudem simultan mit Zwillingsmonomeren kationisch polymerisiert um einen Hybridmaterialschaum zu synthetisieren, der anschließend in hierarchisch strukturierte poröse Kohlenstoff- und Siliziumdioxidschäume umgewandelt werden kann. Neben klassischen Methoden zur Aufklärung der molekularen Strukturen, wie der Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot (IR)-Spektroskopie, wurden Morphologie und Porosität mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) beziehungsweise Stickstoffsorption und Quecksilberporosimetrie untersucht. Überdies kamen DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) und TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Monomere und Polymere zum Einsatz.:1 Einleitung 2 Motivation und Zielsetzung 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Poröse Materialien und deren Charakterisierung 3.1.1 Einteilung nach der Porengröße 3.1.2 Einteilung nach der Porenmorphologie 3.1.3 Beschreibung und Bestimmung von der Porosität 3.1.4 Charakterisierung von Mikro- und Mesoporen 3.2 Herstellung von porösen Kohlenstoff- und Siliziumdioxidmaterialien 3.2.1 Harttemplatsynthesen 3.2.2 Weichtemplatsynthesen 3.2.3 Gelsynthesen und Emulsionstechniken 3.2.4 Schäumungsprozesse 3.2.5 Hybridmaterialien 3.2.6 Zwillingspolymerisation 3.2.7 Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mittels Zwillingspolymerisation 3.3 Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien 3.3.1 SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Synthese von Phenolharzen als Kohlenstoffprecursoren für SiC/C Faserverbundwerkstoffe 4.1.1 Anforderungen an die Kohlenstoffprecursoren für eine SiC-Matrix 4.1.2 Resole 4.1.3 Novolake und stickstoffhaltige Phenolharze 4.1.4 Molmassen 4.1.1 DSC- und Rheologie-Untersuchungen 4.1.2 Aushärtung der flüssigen Harzformulierungen 4.1.2.1 13C-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.1.3 Herstellung von Kohlenstoffen 4.1.4 Untersuchung der Morphologie und Porosität 4.1.4.1 Ausgehärtete Harze 4.1.4.2 Kohlenstoff 4.1.5 Herstellung und Charakterisierung der SiC/C-Faserverbundwerkstoffe 4.1.6 Untersuchung zur Struktur des Kohlenstoffs 4.1.7 Silizierung der Kohlenstoffe 4.1.8 Porosität durch Catecholoxalat 4.2 Kationische Polymerisation von organischen Carbonaten 4.2.1 Synthese organischer Carbonate 4.2.2 Polymerisationsverhalten organischer Carbonate 4.2.3 Kationische Polymerisation organischer Carbonate 4.2.4 Molmassen und thermisches Verhalten 4.2.5 Morphologie der Polymerschäume 4.2.6 Molekulare Struktur 4.2.7 Poröse Kohlenstoffe 4.3 Simultane Polymerisation von organischen Carbonaten und Zwillingsmonomeren 4.3.1 Theoretische Betrachtungen 4.3.2 Polymerisationsverhalten der Monomermischungen 4.3.3 Variation der Reaktionsbedingungen 4.3.4 Morphologie der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5 Molekulare Struktur der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5.1 13C {1H} CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.2 29Si-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.3 ATR-FTIR-Spektroskopie 4.3.5.4 Extraktionsversuche der Hybridmaterialien 4.3.5.5 Elementverteilung mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie 4.3.6 Herstellung poröser Kohlenstoff- und SiO2-Schäume aus Hybridmaterialschäumen 4.3.6.1 Zusammensetzung des Hybridmaterial- und C/SiO2-Schaums 4.3.6.2 Morphologie der Kohlenstoff- und SiO2-Schäume 4.3.7 Porositätsuntersuchungen an porösen Kohlenstoff- und SiO2-Schäumen 4.3.7.1 Stickstoffsorption 4.3.7.2 Quecksilberporosimetrie 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Experimenteller Teil 6.1 Chemikalien 6.2 Charakterisierungsmethoden 6.3 Synthesen 6.3.1 Herstellung von Resolen 6.3.2 Herstellung eines Novolaks 6.3.3 Herstellung eines stickstoffhaltigen Phenolharzes 6.3.4 Herstellung einer flüssigen Harzmischung 6.3.5 Aushärtung der flüssigen Harze und Harzmischungen 6.3.6 Pyrolyse der ausgehärteten Phenolharze und Harzmischungen 6.3.7 Herstellung von SiC-faserverstärkten Kohlenstoffen (SiC/C) 6.3.8 Silizierung von Kohlenstoffen 6.3.9 1,1'-methylenebis(naphthalen-2-ol) 6.3.10 Catecholoxalat 6.3.11 Bis(furan-2-ylmethyl) carbonat (Difurfurylcarbonat DFC) 6.3.12 Bis(p-methoxybenzyl) carbonat (pC) 6.3.13 Bis(m-methoxybenzyl) carbonat (mC) 6.3.14 Tetrafurfuryloxysilan (TFOS) 6.3.15 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (Spiro) 6.3.16 Polymerisation von mC, pC und DFC 6.3.17 Simultane Polymerisation von Carbonaten mit Zwillingsmonomeren 6.3.18 Extraktion 6.3.19 Pyrolyse der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.20 Siliziumdioxid-Ätzen 6.3.21 Oxidation der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.22 Oxidation der Kohlenstoff/SiO2-Materialien Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Persönliche Daten Ausbildung und beruflicher Werdegang Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen