Multiscale Modeling of Curing and Crack Propagation in Fiber-Reinforced Thermosets

Aufgrund ihres Leichtbaupotenzials bei relativ geringen Kosten gewinnen glasfaserverstärkte Polymere in industriellen Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Sie verbinden die hohe Festigkeit von Glasfasern mit der Beständigkeit von z.B. duroplastischen Harzen. Bei der Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten kommt es zu einer chemischen Reaktion des Harzes. Die chemische Reaktion geht mit einer chemischen Schrumpfung einher. In Verbindung mit der thermischen Ausdehnung kann das Material bereits beim Herstellungsprozess beschädigt werden. Auch wenn das Komposit nicht vollständig versagt, kann es zu Mikrorissbildung kommen. ... mehrDiese Schäden können die Blastbarkeit des Bauteils und damit seine Lebensdauer beeinträchtigen. Faserverstärkte Duroplaste enthalten Strukturen auf verschiedenen Längenskalen, die das Verhalten des Gesamtbauteils beeinflussen und daher für eine genaue Vorhersage der Rissbildung berücksichtigt werden müssen. Das Verständnis der Mechanismen der Rissbildung auf den verschiedenen Längenskalaen ist daher von großem Interesse. Auf der Grundlage von Molekulardynamiksimulationen wird ein Harzsystem zusammen mit einer Faseroberfläche und einer Schlichte auf der Nanoskala betrachtet und ein systematisches Verfahren für die Entwicklung eines ausgehärteten Systems vorgestellt. Eine zweistufige Reaktion, eine Polyurethanreaktion und eine radikale Polymerisation, wird auf der Grundlage eines etablierten Ansatzes modelliert. Anhand des fertig ausgehärteten Systems werden Auswertungen über gemittelte Größen und entlang der Normalenrichtung der Faseroberfläche durchgeführt, was eine räumliche Analyse der Faser-Schlichtharz-Grenzfläche erlaubt. Auf der Mikrolängenskala werden die einzelnen Fasern räumlich aufgelöst. Mit Hilfe der Kontinuumsmechanik und der Phasenfeldmethode wird das Versagen während des Aushärtungsprozesses auf dieser Längenskala untersucht. In der Materialwissenschaft wird die Phasenfeldmethode häufig zur Modellierung der Rissausbreitung verwendet. Sie ist in der Lage, das komplexe Bruchverhalten zu beschreiben und zeigt eine gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen. Dennoch sind die meisten Modelle auf homogene Systeme beschränkt, und nur wenige Ansätze für heterogene Systeme existieren. Es werden bestehende Modelle diskutiert und ein neues Modell für heterogene Systeme abgeleitet, das auf einem etablierten Phasenfeldansatz zur Rissausbreitung basiert. Das neue Modell mit mehreren Rissordnungsparametern ist in der Lage, quantitatives Risswachstum vorherzusagen, wo die etablierten Modelle eine analytische Lösung nicht reproduzieren können. Darüber hinaus wird ein verbessertes Homogenisierungsschema, das auf der mechanischen Sprungbedingung basiert, auf das neuartige Modell angewandt, was zu einer Verbesserung der Rissvorhersage selbst bei unterschiedlichen Steifigkeiten und Risswiderständen der betrachteten Materialien führt. Zudem wird zur Erzeugung digitaler Mikrostrukturen, die für Aushärtungssimulationen im Mikrobereich verwendet werden, ein Generator für gekrümmte Faserstrukturen eingeführt. Anschließend wird die Verteilung mechanischer und thermischer Größen für verschiedene Abstraktionsebenen der realen Mikrostruktur sowie für verschiedene Faservolumenanteile verglichen. Schließlich wird das neue Rissausbreitungsmodell mit dem Aushärtungsmodell kombiniert, was die Vorhersage der Mikrorissbildung während des Aushärtungsprozesses von glasfaserverstärktem UPPH-Harz ermöglicht.

Because of their lightweight potential at relatively low cost, glass-fiber reinforced polymers are becoming increasingly important in industrial applications. They combine the high strength of glass fibers with the durability of, for example, thermoset resins. During processing of fiber-reinforced thermosets, the resin material undergoes a chemical reaction. The chemical reaction is accompanied by chemical shrinkage. Combined with thermal expansion, the microstructure can be damaged during this manufacturing process. Even if the component does not fail completely, micro-cracking can occur. ... mehrThis damage can affect the overall performance of the component and therefore its lifetime. Fiber-reinforced thermosets contain microstructures on different length scales, which influence the behavior of the overall composite and must therefore be taken into account for accurate prediction of crack formation. Understanding the mechanisms of crack initiation at different length scales is therefore of great importance. To this end, using molecular dynamics simulations, a resin system is considered together with a fiber surface and a sizing layer at the nanoscale. A systematic procedure for the development of a final cured system is presented. A two-stage reaction, a polyurethane reaction and a radical polymerization, is modeled based on an established molecular dynamics approach. For the fully cured system, evaluations are carried out in terms of averaged quantities as well as quantities along the normal direction of the fiber surface, resulting in spatially varying properties along the fiber-sizing-resin interface. At the micro scale, the individual fibers are resolved. Based on continuum mechanics and the phase-field method, the fracture during the curing process is studied in this work. In materials science, the phase-field method is widely used to model crack propagation. It is capable of describing complex fracture behavior and shows good agreement with analytical solutions. Nevertheless, most models are introduced for homogeneous systems, and few approaches are available for heterogeneous systems. Existing models are discussed and a new model for heterogeneous systems is derived based on an established phase-field approach to crack propagation. The new multi-crack order parameter model is able to predict crack growth quantitatively, whereas the established models fail to reproduce an analytical solution. Furthermore, a more advanced homogenization scheme based on the mechanical jump condition is applied to the novel model, leading to an improvement in crack prediction even for a high contrast in stiffness and crack resistance of the considered materials. A curved fiber structure generator is introduced to generate digital microstructures that are used for curing simulations at the micro scale. Subsequently, the distributions of mechanical and thermal quantities are compared for different levels of abstraction of the real microstructure, as well as for different fiber volume fractions. Finally the novel crack propagation model is combined with the curing model, which allows the prediction of micro-crack formation during the curing process of glass fiber reinforced UPPH resin.