Hollow glass microspheres have been used extensively in the automotive and marine industries as an additive for reducing weight and saving material costs. They are also added to paints and other materials for their reflective properties. They have shown promise for weight critical applications, but have thus far resulted in materials with low fracture toughness and impact resistance when combined with thermosetting resins in syntactic foam. The advent of commercially available microspheres with a wide range of crushing strengths, densities and adhesive properties has given new impetus to research into syntactic foam with better fracture behaviour. Current research suggests that the beneficial effects on fracture and impact resistance gained by the addition of solid reinforcements such as rubber and ceramic particles are not seen with the addition of hollow glass microspheres. The research presented in this paper has examined the mechanisms for fracture resistance in glass microsphere filled epoxy (GMFE) syntactic foams, as well as determined the effect microsphere crushing strength and adhesion strength has on the material???s fracture toughness. The flexural properties of various GMFE have also been determined. GMFE were manufactured with varying microsphere volume fraction up to 50%, and with variances in microsphere crushing strength and adhesion. The specimens were tested for Mode I fracture toughness in a three point single edge notched bending setup as described in ASTM D5045 as well as a three point flexural setup as described in ASTM D790-3. Fracture surfaces were inspected using scanning electron microscope imaging to identify the fracture mechanisms in the presence of microspheres. Results indicate a positive effect on fracture toughness resulting from new fracture areas created as tails in the wake of the microspheres in the fracture plane. Results also indicate a negative effect on fracture toughness resulting from weak microspheres or from interfacial disbonding at the fracture plane. These two effects combine to show an increase in GMFE fracture toughness as the volume fraction of microspheres is increased to between 10 ??? 20% volume fraction (where the positive effect dominates), with a reduction in fracture toughness as microspheres are added further (where the negative effect dominates).

Hollow glass microspheres have been used extensively in the automotive and marine industries as an additive for reducing weight and saving material costs. They are also added to paints and other materials for their reflective properties. They have shown promise for weight critical applications, but have thus far resulted in materials with low fracture toughness and impact resistance when combined with thermosetting resins in syntactic foam. The advent of commercially available microspheres with a wide range of crushing strengths, densities and adhesive properties has given new impetus to research into syntactic foam with better fracture behaviour. Current research suggests that the beneficial effects on fracture and impact resistance gained by the addition of solid reinforcements such as rubber and ceramic particles are not seen with the addition of hollow glass microspheres. The research presented in this paper has examined the mechanisms for fracture resistance in glass microsphere filled epoxy (GMFE) syntactic foams, as well as determined the effect microsphere crushing strength and adhesion strength has on the material???s fracture toughness. The flexural properties of various GMFE have also been determined. GMFE were manufactured with varying microsphere volume fraction up to 50%, and with variances in microsphere crushing strength and adhesion. The specimens were tested for Mode I fracture toughness in a three point single edge notched bending setup as described in ASTM D5045 as well as a three point flexural setup as described in ASTM D790-3. Fracture surfaces were inspected using scanning electron microscope imaging to identify the fracture mechanisms in the presence of microspheres. Results indicate a positive effect on fracture toughness resulting from new fracture areas created as tails in the wake of the microspheres in the fracture plane. Results also indicate a negative effect on fracture toughness resulting from weak microspheres or from interfacial disbonding at the fracture plane. These two effects combine to show an increase in GMFE fracture toughness as the volume fraction of microspheres is increased to between 10 ??? 20% volume fraction (where the positive effect dominates), with a reduction in fracture toughness as microspheres are added further (where the negative effect dominates).

Syntactic foams are hollow particles-filled lightweight composites that are widely used in areas that require high strength while maintaining low weight and density. These foams are highly tailorable materials whose properties can be altered during the manufacturing process by changing various parameters like matrix and microballoon material type, size, distribution, as well as the volume fraction and wall thickness of microballoons. Therefore, understanding the effect of these parameter changes in the behavior of syntactic foams is very important to manufacture the foam for different applications. In the present study, syntactic foams of various volume fractions of microballoons were fabricated and different mechanical testing was conducted to study their elastic and viscoelastic behavior. Moreover, density, void content, and microstructure of the syntactic foam with varying volume fractions of microballoons were also studied to better characterize these foams. Results show that changes in the volume fraction of the microballoons had a significant impact on the elastic and viscoelastic behavior of the foams. The introduction of the microballoons into the epoxy resin decreased the density of the epoxy resin by up to 43.36% and at the same time increasing the specific modulus by up to 21.059%. In addition, representative 3D models of these syntactic foams were also developed to further study the elastic behavior of these materials which were found to be in good agreement with the experimental results. These findings will help in designing and optimizing the material properties of the syntactic foam required for different applications.

L’étude se situe dans le cadre de la recherche de gains de performance de structures d’isolations passives pour l’offshore profond. Le travail proposé a pour support des analyses expérimentales et numériques de tubes revêtus par des matériaux isolants utilisés en eau profonde pour transporter du fluide chaud. Le raboutage des tubes en acier, préalablement revêtus en atelier, nécessite un dégagement du revêtement aux extrémités pour réaliser l'opération d'assemblage (généralement par soudure). La partie dégagée est ensuite recouverte par un nouveau matériau pouvant être appliqué sur site. Ainsi l’isolation de cette partie du tube (Field Joint), qui est soumise à des chargements thermomécaniques en service, doit être optimisée pour assurer une durée de vie compatible avec les contraintes de l’exploitation offshore en eau profonde. Le travail comporte principalement quatre parties : - la modélisation du comportement thermique pour analyser l’évolution en temps et en espace de la température du matériau au cours de la fabrication, de la pose et en service sachant que pour les matériaux d’isolation le comportement mécanique est fortement dépendant de la température,- une partie expérimentale pour l’analyse du comportement des matériaux isolants en fonction de la température et en fonction de la pression hydrostatique qui est le principal chargement mécanique de ces structures en service,- la modélisation du comportement mécanique des isolants,- et une partie modélisation et simulation du comportement en service d'assemblages multi-matériaux de type industriel, avec prise en compte du comportement non-linéaire des constituants. / Ultra deep offshore oil exploitation presents new challenges to offshore engineering and operating companies. Such applications require the use of pipelines with an efficient thermal protection. Passive insulation materials are commonly used to guarantee the thermal performance of the pipes, and syntactic foams are now the preferred material for this application. The mechanical behaviour of such insulation materials is quite complex, associating time-dependent behaviour of polymers with damage behaviour of glass microspheres. In order to allow an optimisation of such systems, while ensuring in-service durability, accurate numerical models of insulation materials are thus required. During the service life in deep water, hydrostatic pressure is the most important mechanical loading of the pipeline, so this study aims to describe the mechanical behaviour of the material under such loading. Using a hyperbaric chamber, the analysis of the evolution of the volumetric strain with time, with respect to the temperature, under different time-evolutions of the applied hydrostatic pressure is presented in this paper. Such experimental results associated with the mechanical response of the material under uniaxial tensile creep tests, allow the development of a thermo-mechanical model, so that representative loadings can be analysed.

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.:Inhaltverzeichnis Inhaltverzeichnis 2 Danksagung 6 Verzeichnis der Abkürzungen, Symbole und Indizes 7 1. Einführung 11 1.1 Motivation 11 1.2 Neuartigkeit 12 1.3 Anwendungsgebiete 13 1.3.1 Industrielle Anwendung 13 1.3.2. Hi-Tech-Anwendung 18 2. Ziele der Arbeit und Aufgabenstellung 19 3. Literaturauswertung zum Stand der Technik 20 3.1 Fertigungsverfahren zur Herstellung von zellularen Mikrostrukturen 21 3.1.1 Entwicklung der technologischen Prozesse der Metallschaumherstellung 22 3.1.1.1 Offener Metallschaum bzw. metallische Schwämme 22 3.1.1.2 Geschlossener Metallschaum 24 3.1.2 Verfahren zur Hohlkugelherstellung 25 3.1.2.1 Pulvermetallurgische Verfahren 26 3.1.2.2 Sonderverfahren 28 3.1.2.3 Direkte Methode zur Herstellung aus der Schmelze 29 3.1.2.3.1 Mithilfe von amorphen Werkstoffen 29 3.1.2.3.2 Mithilfe von Metallen 30 3.1.2.3.3 Austauschbarkeit der metallischen Schäume durch hohlkugelige Strukturen 31 3.2 Blasengeneratoren 31 4. Theoretische Grundlagen zum Anlagenkonzept 33 4.1 Auftretende Phänomene beim Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls 34 4.1.1 Zusammenhang zwischen der Strahlgeschwindigkeit und Viskosität der Flüssigkeit 36 4.1.2 Reyleigh-Instabilität und Zerwellen 36 4.1.3 Idealisiertes Schema des Prozessablaufs und seine physikalische Beschreibung 38 4.1.3.1 Tropfen (Gleichgewicht, Variante 1) 39 4.1.3.2 Flüssigkeitsstrahl (Zerfall, Variante 2) 40 4.2 Temperaturverteilung und Wärmeaustausch im nicht geschlossenen System 40 4.2.1 Erstarrung des Einkomponentensystems 40 4.2.2 Werkstofferstarrung während des Prozessablaufs 41 4.3 Konstruktions- und steuerungsbezogene Kennwerte des Prozesses 43 4.3.1 Auswahl des Abstandes: Luftrohr-Düsenaustritt 43 4.3.1.1 Anlage bezogen 43 4.3.1.2 Druckluft bezogen 44 4.3.2 Benetzbarkeit und Kippwinkel des T-Stücks 46 5. Physikalische Grundlagen der metallischen Schmelze für die Hohlkugelherstellung 47 5.1 Wahl des Strömungsregimes für das Gasmedium 48 5.2 Rheologisches Verhalten der Werkstoffe 49 5.2.1 Klassifizierung des Werkstoffverhaltens von Flüssigkeiten 49 5.2.2 Charakteristische Kennwerte des flüssigen metallischen Werkstoffs 49 5.2.3 Thixotropes Verhalten 50 5.3 Viskosität und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 51 5.4 Dichte und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 53 5.5 Oberflächenspannung und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.6 Benetzbarkeit und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.7 Prozesssteuerung durch Druckänderung 55 5.7.1 Problembeschreibung 55 5.7.2 Mathematisches Druckmodell für den Tropfenausflussregime 56 5.8 Prozesssteuerung durch Temperaturänderung 59 5.9 Blasenformen während der Gasbewegung durch die Schmelze 60 5.10 Anwendung der dimensionslosen Analyse (Ähnlichkeitstheorie) zur Feststellung des geometrischen und stofflichen Einflusses auf den Hohlkugelbildungsprozess 61 6. Machbarkeitstudie und Wahl der Werkstoffe 64 6.1 Bestimmung der Werkstoffe und das Herstellungsverfahren 64 6.1.1 Amorphe und kristalline Werkstoffe 64 6.1.2 Experimentelle Methoden 64 6.2 Einfluss des Bornitrides auf die Eigenschaften der Schmelze 64 6.3 Vorversuche 66 6.3.1 Untersuchungen zur Filmbildung beim Metall 67 6.3.1.1 Tauchversuch 67 6.3.1.2 Anpassung der Halterung an optimale Randbedingungen 67 6.3.1.3 Auswertung des Tauchversuchs 70 6.3.1.4 Wahl des Düsendurchmessers 70 6.3.2 Bestimmung der Krafteinwirkung der erwärmten Luft auf die Blasenbildung für verschiedene Werkstoffe 71 6.4 Luftausbreitung in der Schmelze 72 6.5 Schlussfolgerungen aus der Machbarkeitsstudie 75 7. Simulation 76 7.1 Simulation mithilfe des CFD-Programms FLUENT 6.3 76 7.2 Vorbereitung zur Simulationsdurchführung 78 7.3 Ergebnisse der Simulation 78 8. Beschreibung der experimentellen Anlage 80 8.1 Teststufen 80 8.2 Umbau der Anlage 81 8.3 Endgültige Modifikation der Anlage 82 8.3.1 Druckluftsteuerung 83 8.3.2 Führungsschienen und Einstellung des Tiegelkippwinkels 84 8.3.3 Luftzufuhr 84 8.3.4 Diagramm des Prozesses 87 8.3.5 Bestimmung der Durchflusswerte 88 8.3.6 Speisungsmöglichkeiten 89 8.3.7 Wasserbehälter 90 8.3.8 Wärmeverluste während der Druckluftzufuhr 90 8.3.9 Auslegung der Heizplatten 93 8.3.9.1 Berechnung der Heizleistung 93 8.3.9.2 Berechnung der Wärmeübertragung 94 8.4 Berechnung der Aufheizdauer der Heizplatten 95 8.4.1 Ermittlung der Temperaturverteilung mithilfe der Simulation 96 8.4.2 Messstellen 96 8.4.3 Ermittlung der Wärmeverteilung mithilfe einer Wärmebildkamera99 8.4.4 Temperaturfeld an der Ausgangsdüse 100 8.4.5 Temperaturfeld in der erstarrenden Schale 101 8.5 Prozessbeobachtung mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera102 9. Diskussion der Ergebnisse 105 9.1 Herstellung der Hohlkugeln und Granulate 105 9.2 Bestimmung des Schalenradiuses aus dem Gitterdurchpustversuch 106 9.3 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Kartuschenlötlampe in einem Atomisierungsregime 107 9.4 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Heizplatten 109 9.4.1 Zusammensetzung des statistischen Versuchsplans 109 9.4.2 Auswertung der Ergebnissen der statistischen Versuchsreih 111 9.4.3 Ergebnisse der statistischen Versuchsreihe 111 9.4.4 Temperaturausbreitung in der Schale und ihr Zusammenhang mit dem Hohlkugeldurchmesser 115 9.4.5 Nebenerzeugnisse 117 9.5 Metallo- und röntgenographische Vorarbeiten 121 9.5.1 Beurteilung des Hohlraums von Hohlkugeln mithilfe Röntgenbildern 121 9.5.2 Beurteilung der Wandstärke von Hohlkugeln mithilfe der lichtmikroskopischen Aufnahmen 122 9.5.3 Mikrostrukturuntersuchungen 123 10. Auswertung der ermittelten Ergebnisse mithilfe des syntaktischen Schaums mit einer Polymermatrix 124 10.1 Syntaktische Schäume 125 10.1.1 Definition und Herstellungsmerkmale 125 10.1.2 Festigkeit der eingebetteten Teilchen und des Schaum 127 10.1.3 Mischungsregel und Kontrolle von Hohlteilchen 128 10.2 Polymer-Wasser Wechselwirkung 129 10.3 Wärmeleitfähigkeit 130 10.4 Elastisch-plastische Eigenschaften 131 10.5 Beurteilung der Gewichtsreduzierung beim Einsatz von Hohlkugeln als Füllgut am Beispiel eines Verbundwerkstoff-Modells mit einer Silikon-Kautschuk-Matrix (SKM) 131 10.6 Probenvorbereitung 132 10.7 Versuchsteil 133 10.7.1. Wasseraufnahme 133 10.7.2. Wärmeleitfähigkeit 135 10.7.3 Elastisch-plastische Eigenschaften 137 10.7.4 Schwimmfähigkeit 140 11. Zusammenfassung und Ausblick 142 Literaturverzeichnis 145 Abbildungsverzeichnis 156 Tabellenverzeichnis 160 Anhang I-LVIII

Les mousses syntactiques créées par l’association d’une matrice élastomère et de microsphères à paroi souple possèdent des propriétés acoustiques amortissantes intéressantes. Elles ouvrent de nouvelles perspectives dans la fabrication de sous-marins furtifs ou de navires, mais le principal frein à l’industrialisation de ces mousses est leur compressibilité : à haute profondeur, les mousses écrasées perdent leurs propriétés amortissantes. Nous nous intéressons donc à l’étude du renforcement de mousses syntactiques à matrice polyuréthanes. La littérature scientifique étant peu abondante sur ce sujet, une mousse syntactique modèle a été synthétisée en laboratoire pour permettre une meilleure caractérisation de ce matériau et de ses composants. En particulier, un moyen innovant de compression hydrostatique a été mis au point pour caractériser le comportement sous pression des microsphères et de la mousse. Les paramètres matériaux recueillis ont permis d’utiliser un modèle de la littérature qui a simulé l’influence de divers paramètres sur la compression de mousses syntactiques. Ce modèle a également pu prévoir les caractéristiques des composants d’une mousse dont la compressibilité répondrait à un cahier des charges préétabli. Ces différentes analyses ont démontré que le principal paramètre régissant la compression de mousses syntactiques est le module d’Young de la matrice. De plus, un renforcement en compression n’est obtenu qu’avec un renforcement chimique de la matrice ; la présence de charges (fibres, nanotubes de carbone) n’apporte pas de changements significatifs / Syntactic foams synthesized from an elastomeric matrix and soft-shell microspheres have shown interesting acoustical properties. They open new perspectives for the manufacturing of stealthy submarines or ships, but the industrialization of such material is held back by their great compressibility: hydrostatic pressure tends to crush the microspheres, which leads to a loss of the damping properties. We are therefore interested in studying the reinforcement of syntactic foams with polyurethane matrix. Scientific literature being scarce on this subject, a reference syntactic foam has been synthesized in the laboratory to allow a better characterization of this material and its components. In particular, an innovative test of hydrostatic compression has been developed to characterize the behavior under pressure of the microspheres and foam. A model of the literature simulating the compression of syntactic foams has been used thanks to the material parameters collected; it allowed us to test the influence of various parameters on this compression. This model could also predict the characteristics of the components of a foam whose compressibility would meet a set of specifications. These different analyses have shown that the main parameter governing the compression of syntactic foams is the Young's modulus of the matrix. In addition, a compression reinforcement can only be obtained using a chemical reinforcement of the matrix; the presence of fillers (fibers, MWCNTs) does not bring significant changes