Curing Simulations of a Fibre-Reinforced Thermoset on a Micro- and Nano-Scale

Die Eigenschaftskombination hoher Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Massendichte rückt die Materialklasse der faserverstärkten Polymere generell stärker in den Fokus von Mobilitätsanwendungen und bewegten Massen. Nachteilig an der Kombination von steifen Fasern und einer zähen, leichten Polymermatrix erweist sich oft die Verwendung unterschiedlicher Materialtypen. Die in dieser Arbeit verwendete Paarung des glasfaserverstärkten Duromers zeichnet sich speziell durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und die chemische Aushärtereaktion des Duromerharzes aus. ... mehrDa der Produktionsprozess eines Bauteils aus glasfaserverstärktem Duromer oft bei erhöhter Temperatur stattfinden muss, um entweder die chemische Vernetzungsreaktion zu aktivieren oder zu beschleunigen, erfährt jedes Bauteil thermische Dehnungen und chemischen Schwund. Diese Dehnungen ändern sich nochmals, sobald sich das Bauteil auf Raumtemperatur abkühlt, bleiben aber grundsätzlich aufgrund der Bindung zwischen Fasern und Matrix erhalten. Durch diesen Eigendehnungszustand werden Verzug und lokale Eigenspannungen induziert, wobei sich insbesondere lokale Spannungsspitzen an der Faser-Matrix-Grenzfläche und an den Faserenden ausbilden können. Diese innere Vorbelastung kann eine Vorschädigung des Bauteils in Form von Mikrorissen verursachen, wodurch insgesamt die Bauteileigenschaften und -belastbarkeit herabgesetzt werden.

Ein besseres Verständnis der Aushärteprozesse und des Einflusses unterschiedlicher Prozessparameter auf das induzierte Eigendehnungsfeld ist daher unerlässlich, um die effektive und verlässliche Einsetzbarkeit von faserverstärkten Duromeren zu erhöhen. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Modellierung und Simulation des Aushärteprozesses und der Aushärtereaktion von faserverstärkten Duromeren. Hierbei wird der Fokus skalenübergreifend auf die Mikrostruktur und auf die Molekularebene gelegt, und die Auswirkungen der Aushärtung auf der jeweiligen Skala untersucht. Auf Mikrostrukturebene wird die rechnergestützte Phasenfeldmethode zur Darstellung von Faser-Matrix-Strukturen verwendet, und darauf aufbauend ein Modell zur Beschreibung der mechanischen, thermischen und chemischen Effekte während eines Aushärteprozesses abgeleitet. Weiterhin wird die Rissausbreitung innerhalb faserverstärkter Mikrostrukturen modelliert und ebenfalls mithilfe der Phasenfeldmethode umgesetzt. Hiermit wird ein Beispielprozess simuliert und dessen Verlauf ausgewertet und diskutiert. Die Entwicklung von lokalen Eigendehnungs- und Eigenspannungszuständen bildet hierbei einen Fokus dieser Arbeit. In einem weiteren Schritt wird überprüft, ob diese lokalen Spannungen in eine Mikroriss-Ausbreitung münden. Diese mikroskaligen Betrachtungen werden durch rechnergestützte Molekulardynamiksimulationen auf der Nanoebene begleitet. Die chemische Aushärtereaktion eines Duromers wird hierbei durch Algorithmen zur Herstellung und Auflösung chemischer Bindungen nachgestellt, und so die Aushärtereaktion anhand von Materialkenngrößen wie Volumenschwund nachvollzogen und diskutiert. Die hierdurch erzeugten Polymernetzwerke dienen dann der Berechnung von temperatur- und aushärtegradabhängigen Materialeigenschaften, welche zur Durchführung der Prozesssimulation auf der Mikroebene benötigt werden.

The combination of high stiffness and toughness, available at low mass density, makes the material class of fibre-reinforced polymers interesting for applications in the mobility sector and for all kinds of moving masses in general. The advantageous mechanical material properties, arising from the stiff fibres supported by a tough and light polymer matrix, often go along with disadvantages emerging from combining two different material types. This work makes use of the combination of glass fibres and thermoset matrix, which exhibit differences in the thermal expansion coefficient, and the thermoset has to be cured, resulting in chemical shrinkage. ... mehrWhen producing a fibre-reinforced thermoset structure, the process is often run at an elevated temperature to either trigger the chemical curing reaction or to accelerate selfsame. Through these temperature changes and the progressing curing reaction, each structure is subject to thermal and curing strains. The induced strains may change when the structure is cooled down to room temperature, but they are preserved due to the bonding between fibres and matrix. These eigenstrains result in warpage and local eigenstresses, which mainly concentrate at fibre-matrix interfaces and fibre tips. As a consequence these internal loads may yield the formation and propagation of micro-cracks, which in total reduce the structure's performance and reliability.

Therefore, a more profound understanding of the curing process and the influence of process parameters is essential to provide for a safe and effective application of fibre-reinforced thermosets. This work thus deals with modelling and simulating the curing process and reaction of fibre-reinforced thermosets. The emphasis is the examination of the consequences of curing within the fibre-matrix microstructure and on a molecular scale. On a micro-scale, the phase-field method is used as a computational tool to describe the fibre-matrix domains, and based thereon a curing process model is derived, taking into account mechanical, thermal and chemical effects. Furthermore a phase-field crack model is implemented capable of simulating crack propagation within fibre-reinforced microstructures. The former model is used to simulate a virtual process, whose progress and outcome is evaluated and discussed focussing on the development of local eigenstrains and eigenstresses. The latter model then is used to examine whether these local stresses lead to micro-crack propagation. These micro-scale simulations are accompanied by molecular dynamics simulations. On a nano-scale the chemical reactions are described by algorithms forming and dissociating chemical bonds. These are used to simulate the curing reaction of a thermoset, which is discussed on the basis of quantities such as volume shrinkage. The hereby artificially cured polymer networks are further analysed for micro-scale material properties at different temperatures and degrees of cure, which are necessary for the aforementioned micro-scale curing process simulations.